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高盐废水解决方案范文1
制革工业是我国的传统产业之一，具有悠久的历史，但原料皮在加工过程中使用大量的化工材料会产生严重的污染物，随着环保政策的逐步完善和人们环保意识的不断提高，传统制革工业的发展面临越来越大的压力，解决污染的关键是从源头入手，用环保材料代替传统皮革化工材料，走清洁生产之路。酶是由活体细胞产生的一种生物催化剂，具有高效、专一、作用温和、可降解性、无污染等特点，其本身无毒，使用过程中也不会产生有毒物质，因此被广泛应用于医药、食品、饲料、洗涤工业、有机合成、纺织等领域［1－3］。
酶在制革中的研究历史已久，最初主要集中在制革准备工段，随着科技的进步，其在制革中的应用范围逐渐扩大［4］。近年来研究者对其在鞣后湿整理工段及制革废弃物利用等方面的应用已展开了研究。本文就酶制剂在制革准备工段、鞣制及鞣后湿加工工段、皮革废弃物利用等方面的研究现状进行了综述，并对其在制革中的应用前景进行了展望。
1酶制剂在准备工段中的应用
准备工段是制革加工过程的基础，也是污染最严重的工段。准备工段主要是去除纤维间质(纤维间质主要由白蛋白、球蛋白、粘蛋白和类粘蛋白等蛋白质和糖类物质组成)的过程，使纤维得到一定程度的分散，便于后续化工材料渗入皮内并与皮胶原纤维结合。传统方法采用表面活性剂、防腐剂、硫化物、强碱等化工材料处理原料皮，其不彻底性和对环境的污染促使人们在寻找一种环境友好型的制革途径，从根本上解决环境污染问题。作为一种高效、专一、可降解性材料，酶已被应用于制革准备工段中的浸水、脱毛、脱脂等工序。
1．1酶浸水
浸水是原料皮加工的第一道工序，主要是除去原料皮上的污物和防腐剂，溶解皮中可溶性蛋白质，使原料皮的纤维结构和含水量恢复到鲜皮状态。传统的浸水是通过加入一些表面活性剂、杀菌剂等浸水助剂促进水在皮中的渗透来回鲜，但这对难溶于水的蛋白质的去除不彻底，达不到理想的效果。制革工作者研究发现一些水解酶可以加速浸水作用，除去原料皮内大部分纤维间质，改善浸灰化工材料的渗透和膨胀作用，增强浸水时加入脱脂剂的脱脂作用，减少成革血管痕、肥纹的产生［5］。
浸水过程中使用的酶主要是由蛋白酶、脂肪酶以及糖酶等不同种类酶组成的复合酶制剂。蛋白酶水解皮中难溶性蛋白;脂肪酶水解皮中脂肪打开纤维间通道，为蛋白酶作用于蛋白质奠定基础;研究表明［6］:糖在皮中的含量只有鲜皮质量的0．5%～1．0%，其中大部分糖胺多糖有不同程度的硫酸化，形成硫酸化糖胺多糖，硫酸化糖胺多糖通过酰胺键或糖苷键与蛋白质共价结合形成蛋白多糖，有很强的膨胀能力，从稀溶液态转入失水态体积收缩1000倍以上，这是鲜皮失水干燥后，纤维紧密粘结的主要原因，因此，浸水复合酶中的糖酶对纤维打开有一定的协助作用。
国外制革研究者对酶制剂在浸水中的应用做了不少研究工作。CSCantera等［7］研究了浸水脱毛酶制剂对皮中不同底物(皮中不同组分，如表皮、角蛋白、糖蛋白和蛋白多糖等)的水解活性，其中发现该浸水脱毛酶制剂对蛋白多糖有一定的作用。国内研究者在这方面也有一定的研究，本课题组一直致力于浸水酶制剂的研究［8］，研制了CMI和JPK系列浸水酶制剂，用于浸水过程中可以缩短浸水时间，提高浸水效果;将自制的CMI系列浸水酶制剂应用于黄牛盐湿皮浸水工序中，发现自制的CMI－1浸水酶制剂可以使生皮的脂肪得到部分水解，对生皮的弹性纤维也有一定的作用;自制JPK－2浸水酶制剂应用于浸水工艺中，对原料皮的脖颈纹、肚边纹等均有较好的展开效果，对臀部纤维有较好的分散效果。
目前，国外浸水酶制剂的产品有丹麦诺维信公司的NovocorSG、印度UNIPELL公司的UNIPELLM4、德瑞(TFL)公司的ErhazymC、希伦赛勒赫公司的AglntanPR以及汤普勒公司的TrupozymMS等，克莱恩公司也有系列浸水酶制剂产品，这些浸水酶对非胶原蛋白有较强的去除能力［9］。国内生产浸水酶制剂产品的公司有四川德赛尔公司、四川达威、亭江新材料股份有限公司和上海丹尼悦生物科技有限公司等，其中四川德赛尔公司的DESO-BATEDB是一种浸水专用酶制剂，用于浸水能去除大部分非结构性蛋白质，可以改善脱脂剂的脱脂效果，稳定性也较好。
此外，在制革生产中，去除残存在原料皮上的粪渣血迹十分重要。常规的浸水用酶制剂对消除皮上粪渣效率较低，将不同种类的酶复合用于去除原料皮上粪渣的效果较好。英国一项研究表明，粪渣的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素等，研究人员用专门分解这些成分的特种酶及其组成的混合物处理粪渣，结果发现:使用由纤维素酶、木聚糖酶和乳酸酶组成的混合物去除粪渣，其效率要比单独使用一种酶高得多。Covington等［10］利用聚糖酶和纤维素酶复合发酵制得一种皮革清洁酶，对清理原料皮上的粪渣、血迹等有显著的效果。
1．2酶脱毛
酶在制革中最早的应用是在酶脱毛中，古老的“发汗法脱毛”就是在温暖潮湿的条件下，利用皮上微生物所产生的蛋白酶进行脱毛，然而当时人们并未认识到这是酶在作用［7］。随着人们对科学知识的认识和实践应用的探索，1910年，O．Rohm成功地进行了第一个酶脱毛试验，相继国外其他研究者先后获得酶脱毛专利。
RPuvanakrishnan［11］研究了一种碱性细菌蛋白酶在浸灰和保毛脱毛中的应用，SEM结果表明酶法脱毛干净，纤维结构适当打开，而且并未破坏胶原纤维，得到质量良好的皮革，与传统脱毛方法相比，酶法脱毛降低了废水中的BOD、COD、TDS和固体悬浮物。
FForoughi［12］分析了不同酶对皮蛋白的具体活性，发现蛋白酶在使用过程中具有相对特异性，因此多种酶的复合协同作用能起到更好的脱毛效果。
SSivasubramaniana等［13］研究了一种碱性细菌蛋白酶的脱毛机理，通过高效液相色谱图表征了核心蛋白聚糖被细菌蛋白酶大量降解，研究结果表明:在酶脱毛过程中，核心蛋白聚糖的水解和聚集蛋白多糖的去除，对胶原纤维束的打开发挥着重要作用，因此认为脱毛过程中多糖的去除可以协助打开纤维，从而使毛松动脱落。
我国从1958年开始试验酶法脱毛新工艺，到1968年上海新兴制革厂首先成功地使用酶法脱毛新工艺，从此酶法脱毛在猪皮制革脱毛中得到广发应用［6］。张伟娟等［14］将AS1398与2709按不同的比例混合，通过温度、pH值、作用时间等单因素试验，确定了最佳的脱毛条件，在该条件下，脱毛废液中总蛋白含量稍高，而胶原蛋白损失仅为单一酶的1/4到1/3，从而为克服有温有浴条件下原料皮脱毛存在的问题，提供了有参考价值的新研究思路，例如猪皮酶脱毛易产生松面、牛羊皮并没有真正推向工业化生产等。
付强［15］等研究了酶脱毛机理，认为酶分解了类粘蛋白和细胞结构使毛囊脱离表皮，从而使毛松动而脱落。李志强［16］提出了酶脱毛机理新理论，认为基膜及周围组织的蛋白提取物的水解与脱毛有关。
近年来，利用超声波辅助酶脱毛成为清洁制革的一个新研究方向［17］，可以促进酶渗入皮内，从而提高酶脱毛效率。宋健［18］研究了糖酶、蛋白酶的脱毛机理，认为胶原酶和蛋白酶对皮的损伤有协同作用，蛋白酶作用于胶原的非螺旋区，糖酶通过水解粘蛋白中的多糖链起作用;脱毛试验表明:糖酶有较好的松散胶原作用，有一定脱毛效果，但其脱毛效果明显弱于蛋白酶，这是因为糖酶分子质量大，不利于渗透;他借助超声波酶脱毛，发现超声波可以促进酶在皮中的渗透，从而克服了糖酶分子大难渗透的困难。
酶脱毛基本上消除了硫化物的污染，且毛的回收率较高，然而酶脱毛仍存在一些问题。一般酶法脱毛要求酶用量较大才能使毛去除干净，随着酶用量的增加，胶原蛋白的损失也增大，二者是相互矛盾的，这也是酶脱毛没有实现工业化的原因之一。从环保角度看，酶脱毛是一个有价值的研究，因此，开发一种脱毛效果好、对胶原作用小的酶制剂，将对酶在脱毛中的应用是个新的突破。
1．3酶脱脂
脱脂常用方法有机械法、皂化法、乳化法、溶剂法、脂肪酶法。传统的脱脂方法存在着各种各样的缺点，机械法脱脂不彻底;乳化法在较高温度下效果好，可生皮的收缩温度低，高温损伤皮，同时表面活性剂难降解，增加废水污染;溶剂法使用的有机溶剂对环境造成污染。酶法脱脂因其众多优点，逐渐成为清洁制革的研究热点之一。
脂肪酶水解天然脂肪生成脂肪酸和甘油，脂肪酸溶于水中被去除。酶脱脂可以部分代替表面活性剂，从而减少表面活性剂的使用，降低表面活性剂对环境污染的同时，也有利于制防水革和水洗革。生皮的脂肪是包裹在脂肪细胞中的，细胞膜主要成分是蛋白质和类脂，脂肪酶对细胞膜没有作用或作用很小，因此通常通过蛋白酶或磷脂酶来破坏脂肪细胞膜，使脂肪释放被脂肪酶分解。
针对原料皮中脂肪的组成及其分布特征，制革中脱脂酶制剂一般是脂肪酶与其他酶或助剂的复合成分，各种组分通过协同作用达到理想的脱脂效果。RPalop等［19］比较了酸性蛋白酶、酸性脂肪酶以及中性脂肪酶对脱脂效果的影响;结果发现:同时加入酸性蛋白酶和酸性脂肪酶时脱脂效率最高，而单独使用酸性脂肪酶并不能起到脱脂的作用，是因为蛋白酶可以水解脂肪细胞膜使脂肪从脂肪细胞中释放出来，利于脂肪酶水解脂肪，从而提高了脱脂效率。FatmaCetinkaya等［20］在浸灰过程中使用碱性蛋白酶和碱性脂肪酶，考察了2种酶不同配比下的脱脂效率，结果表明:碱性脂肪酶用量为0．2%时脱脂效果较好，碱性脂肪酶与碱性蛋白酶的复合酶是较为理想的酶脱脂剂。由此可见，在酶脱脂的过程中无论是酸性还是碱性条件下，脂肪酶一般和蛋白酶或其他能破坏细胞膜的助剂协同使用，才能起到较好的去除脂肪的作用。陈武勇等［21］对脂肪酶Greasex50L在猪皮中的应用条件进行了研究，研究结果表明:适量的浸灰酶NUE0．6MPX可使Greasex50L的脱脂率增大，同时可改善皮革的起绒性和革身柔软性;一定量的表面活性剂与Greasex50L配合使用，有利于脂肪的去除;经Greasex50L脱脂的裸皮在鞣制后油脂含量也较低，有利于后续工序进行，成革粒面平细、革身柔软，染色均匀性良好。
国外脱脂酶产品有丹麦诺维信公司的碱性脂肪酶Greasex50L、德国Carpetex公司的碱性脂肪酶UberolVPP4581、德瑞(TFL)公司的碱性脂肪酶ErhazymLFF、诺维信公司的酸性脂肪酶NovocorADL和Rohm公司的脂肪水解酶ErhazymLP等。国内脱脂酶产品较少，较早的皮革脱脂酶是AS2．2103脂肪酶，德赛尔公司的碱性脂肪酶DESOBATEBN可用于浸水、浸灰、脱脂、脱灰、软化等多个工序，起分解脂肪、分散纤维的作用。目前，由于酶成本较高、酶脱脂过程不易控制等原因，酶脱脂尚未在制革工业中广泛应用。
1．4酶浸灰
浸灰的目的是补充碱法脱毛时膨胀不足，使纤维膨胀和分散，进一步除去皮内的纤维间质和对弹性纤维的作用，为获得丰满、柔软和有弹性的成革奠定基础［7］。酶作为一种浸灰助剂被应用于浸灰中，对分散粒面层纤维，消除牛皮的颈、腹皱有较明显的作用。
复合酶制剂协助浸灰不但浸灰效果好，还可以减少硫化物和石灰的使用，减少环境污染。20世纪70年代，诺维信公司就推出了的耐碱性浸灰酶NUE，可用于皮革生产的浸灰和复灰工序。
研究者对胶原的微观结构及组成进行研究发现，胶原纤维束是被硫酸皮质素和糖蛋白所包裹，因此浸灰过程中硫酸皮质素的去除与纤维的松散程度密切相关。碱性蛋白酶用于浸灰可以作用于硫酸皮质素，使成革柔软，强度也有所增加;同时多糖酶浸灰对胶原的松散也有重要的作用。PThan-ikaivelan［22］将α－淀粉酶用于免浸灰制革过程打开纤维束，与传统的浸灰复灰工艺相比，纤维的打开程度相当，通过SEM、革中铬含量分析和柔软度测试验证了这一结果，同时废水中COD降低45%，总固体量减少20%，生产1t原料皮产生的水场总干燥污泥从152kg降到8kg。王芳［23］较系统地研究了复合酶在浸灰中的协同作用，采取了多种方法从不同角度对复合酶的浸灰效果进行表征，并与常规浸灰方法、浸灰酶NUE0．6MPX助浸灰方法、碱性蛋白酶助浸灰方法进行了比较，结果表明:复合酶达到并在某些方面超过了NUE0．6MPX助浸灰的效果，明显优于常规浸灰和碱性蛋白酶助浸灰工艺。
1．5酶软化
酶软化是制革过程中不能被单纯化学试剂取代的湿工序，它对成革的丰满性、弹性、柔软性、粒面光滑及手感等性能起着重要作用［24］。常规软化是在碱性条件下用碱性蛋白酶软化，一般在pH值8左右，也可以用酸性蛋白酶在浸酸过程中补充软化。酸性蛋白酶用于浸灰后或浸酸中的酶软化，相比于碱性酶软化和中性酶软化，酸性酶软化有其特点:软化可在常温(25～32℃)下进行，避免了高温对皮胶原的损失;脱灰、软化、浸酸、铬鞣可以在同一转鼓中进行，降低了操作成本;粒面涂饰后细致紧实［25］。
软化最早用的是胰酶，软化胰酶主要来源于动物胰脏，是一种多酶体系，有胰蛋白酶、胰脂肪酶和胰淀粉酶等成分;其次微生物酶也可用于皮革软化，如AS1398、166、3942蛋白酶等，微生物酶对弹性蛋白作用较强，用其软化后的皮粒面细致，成革柔软。目前，国内外公司都有相应的制革软化酶制剂产品，国外软化酶产品主要有诺维信公司的NowolaseNS和Nowo-laseNG，德瑞公司的OroponOO和OroponOP;国内产品主要有无锡酶制剂厂的537酸性酶、上海酒精厂和无锡酶制剂厂的3350酸性蛋白酶、德赛尔公司的系列软化酶，如DESOBATEU2、DESOBATEB2、DESOBATEU5、DESOBATEB5、DESOBATEAE等以及四川大学研制的低温软化酶EB－1。
酶软化在制革工业中已有应用，但在应用过程中存在一些不可避免的问题，如软化不足皮板僵硬，软化过度对胶原造成损失，成革空松，甚至出现烂皮现象，因此采用酶软化需要通过严格控制酶制剂的用量，软化时间及温度等条件来控制皮革的软化程度。
2酶制剂在鞣制及鞣后湿加工中的应用
除了在制革准备工段的应用，酶制剂在制革鞣制及鞣后湿加工工段的应用已涉及，利用酶增大皮革使用面积、改善染色效果，从而提高成革质量。如蓝湿革的再次脱脂软化，可提高成革柔软度及均匀性;染色前酶处理可提高染料上染率、染色均匀性等;脂肪酶的使用有助于降低雾化值，提高防水性、染色均匀性等。据报道，由酸性脂肪酶和酸性蛋白酶组成的混合物，不仅清洁了铬染后的脂肪、染料，还提供了均一的成革颜色。
2．1鞣制中的酶处理
目前酶在皮革鞣制中的研究报道还较少，主要在提高鞣剂利用率及减少鞣制废液中污染物含量等方面展开了研究。SSaravanabhavan等［26］设计了一种基于生物的三步综合制革过程(脱毛、纤维打开、不浸酸铬鞣)，整个过程控制pH值变化范围为4．0～8.0，这种方法可以使生产1t原料皮所消耗的化工材料从380kg减少到50kg，与传统铬鞣工艺相比，废水中COD降低61%、TDS减少78%、铬含量减少92%。SwarnaV．Kanth等［27］研究了蛋白酶在不浸酸植鞣过程中的应用，蛋白酶的使用提高了植鞣剂的吸收，使植鞣剂的吸收率达到95%，与传统植鞣相比，鞣剂吸收率提高10%，同时废水中的COD和TDS有所降低，鞣革湿热稳定性得到改善，皮革的物理机械性能和感官评价较传统植鞣革好。综上所述，酶在鞣制中的使用可以提高鞣剂利用率，降低废水中的污染物，具有一定的经济和环境效益。
2．2蓝湿革的酶处理
蓝湿革的加工是获得优质皮革的关键。在蓝湿革加工中，要求既充分合理地松散胶原纤维，又要尽量保证整张皮的均匀性［28］。目前，许多制革厂从不同的厂家购买蓝湿革进行加工，这就存在蓝湿革质量差异较大的问题，因此需要对蓝湿革进行处理以利于后续加工;同时随着人们对皮革质量要求的不断提高，使蓝湿革的进一步处理成为必要操作。酶用于处理蓝湿革可根据成革要求控制合适的条件来达到预期效果。由于蓝湿革的pH较低，因此，用于蓝湿革处理的酶大多数是一些酸性酶或偏中性酶。国外研究蓝湿革酶软化的时间较早，20世纪60年代末Pfleiderer就对蓝湿革的酶软化进行了研究，随后，国内外对蓝湿革酶软化的研究也相继展开。罗马尼亚的MihalDeselnicu和VictoriaBratuleso［29］用胃蛋白酶处理削匀的蓝湿革，结果表明:在提高成革柔软度和得革率方面，胃蛋白酶比碱性蛋白酶具有更好的效果。国内较早的是魏世林用国产537酸性蛋白酶对蓝湿革的软化，随后许多制革工作者展开了此方面的研究工作。余凤湄［30］研制了一种复合酶制剂并将其应用于蓝湿革的软化，在最佳工艺条件下与常用的制革蛋白酶进行比较，结果表明:自制复合酶制剂的软化效果最好，其余依次为537酸性蛋白酶、胰酶、AS1938中性蛋白酶以及166中性蛋白酶。程海明［31］用酸性脂肪酶、酸性蛋白酶处理蓝湿革，结果发现革面油污，颈部皱纹的不上色现象和其他污染都减少，同时皮革染色的鲜艳度和均匀性也有所改进。酶处理蓝湿革的研究已取得了一定的成效，由于蓝湿革中存在重金属铬，铬会对酶的活性产生影响，这是酶处理铬鞣革普遍存在的问题，因此要选择活力高的酶进行蓝湿革处理。
2．3染色中的酶处理
皮革染色存在染料利用率低、结合少、牢度差、染色后皮革色泽差等问题，人们在开发高结合性染料的同时，也不断从制革工艺上寻找原因及其解决方案。近年来，国外对于酶在皮革染色中的研究已有相关报道，研究证实了酶预处理后再进行皮革染色是一种高效且生态友好的皮革染色方法。SwarnaV．Kanth等［32］用酶处理复鞣后的坯革，然后进行染色，染色结果与空白试验比较，酶处理后的坯革染料上染率由84．2%提高到98．4%，染色后坯革颜色鲜艳，坚牢度高，TEM结果表明，纤维的分散性较好，粒面干净细致。随后他们［33］对酸性蛋白酶预处理皮革染色动力学进行了研究，研究表明，通过酸性蛋白酶预处理，可使染料向皮内的吸附速率提高;酶预处理皮革后，2种染料(酸性黑C．I．No．194和酸性黑C．I．No．210)的表观活化能值均下降了50%，大大加速了染料的吸附过程;通过改进的Cegarra－Puente方程拟合所得吸附速率常数值表明，酶预处理皮革染色过程中染料吸附加快，染色过程也加快，相对于空白试样，酶预处理后染色革表面颜色更深。
3酶制剂在制革废弃物利用中的应用
据统计，制革工业从原料皮到成革仅利用了原料皮的20%左右，大部分皮屑都被废弃排入环境中，因此将这些废弃物资源再利用不仅可以解决污染问题，还可以节省资源。将制革废弃物资源化利用从而实现制革行业的可持续发展，已成为制革行业的当务之急［34］。
皮革废弃物的处理一般是用酸或碱对胶原进行水解得到胶原蛋白质，但这种方法使用的酸、碱会造成二次污染，同时产品质量不稳定。近年来，酶在制革废弃物利用方面的应用取得一些进展［35］。利用酶水解提取皮革废弃物中胶原蛋白本身不会带来环境污染，而且酶法操作简单，通过控制条件可得到不同分子质量的水解产物，且水解率高。
eljkoBajza等［36］提出一种酶法分离未鞣制皮革废弃物中蛋白质的方法，用碱性蛋白酶在最适温度下水解革废弃物，得到酶解革废弃物水解液中的氨基酸组成，分析了提取蛋白粉的物理化学性质;微生物检测结果表明，该产品符合食品安全标准。这种相对简单的皮废弃物处理，提供了一种既可行又经济的废弃物处理方法。
SongJian等［37］首次采用超声辅助酶(地衣芽孢杆菌碱性蛋白酶)处理未鞣革废弃物，超声使得最终产物转化率由57．6%提高到84．1%。从环保的角度看，酶与超声波结合使用将是一种有前途的处理未鞣制皮革废料的清洁技术。
酶法提取铬革屑能克服传统方法的铬分离困难，蛋白质回收率相对较高。陈武勇［38］研究了用1398中性蛋白酶水解铬革屑提取水解蛋白质的影响因素，结果表明:用碱和1398蛋白酶两步法处理革屑后，Cr2O3在水解蛋白质中的含量仅为10～6级，水解蛋白质的回收率为45%左右，蛋白质总回收率达到85%左右。ACRISPIM［39］分别用酸性蛋白酶、胃蛋白酶水解戊二醛交联后的蓝湿革和碱性蛋白酶直接水解铬革屑分离出铬，铬被分离后蛋白质水解物可用作皮革涂饰的替代产品。
酶制剂不仅在皮革废料中提取胶原蛋白质方面做出了贡献，研究还证明酶处理皮革废弃料可以增加皮革废弃料的可降解性，这对制革减轻环境污染是十分有价值的。MuhammadNaumanAftab［40］对碱性蛋白酶处理皮革废料的降解性进行了研究，以革屑的最大降解量(降解量是以水解液中的氨基酸、羟脯氨酸释放量来衡量的)为指标，优化了酶处理的最佳条件，并分析了废液的氨基酸组成，结果表明:这种相对简单的生物处理皮革废料，是一种实际又经济的皮革废料处理解决方案。
4酶制剂在制革废水处理中的应用
目前，皮革行业每年向环境排放的制革废水量达8000～12000万t，约占全国工业废水总排放量的0．3%。制革废水主要由脱脂废水、浸灰脱毛废水、铬鞣废水、加脂染色废水和各工序洗涤废水5部分组成［41］，由于其复杂的组成给废水处理工作者带来很大压力。
生物酶催化技术在城市生活污水处理中取得一定成效。齐爱玖等［42］分析制革废水中含有大量的难降解高分子化合物，将多种生物酶复合进行生物催化去除污染物，通过生物酶分子作用于污染物中高分子化合物分子中的化学键，使其更容易被水解，从而加速有机物的分解，将其降解为小分子，从高分子有机物降解为低分子有机物或CO2、H2O等无机物，降低CODCr值，从而达到去除污染物的目的，并可大大降低污水处理费用。
