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LOS METALES PESADOS Y SUS EFECTOS AMBIENTALES
M.C. RAUL CASTAÑEDA CEJA
CONTAMINACIÓN DEL AGUA POR METALES PESADOS
La contaminación hídrica se entiende como la acción de introducir algún material en el agua
alterando su calidad y su composición química.
Existen varias fuentes de contaminación hídrica a causa de actividades domésticas, industriales o
agrícolas. Ríos y canales son contaminados por los desechos del alcantarillado, residuos
industriales, detergentes y pesticidas que se escurren en tierras agrícolas.
CONTAMINACIÓN DEL AGUA
METALES PESADOS
Los metales pesados son un grupo de elementos químicos que presentan una
densidad alta. Son en general tóxicos para los seres humanos y entre los más
susceptibles de presentarse en el agua destacamos: Mercurio, Cadmio, Níquel,
Cobre, Plomo y Cromo.
• Una forma opcional de nombrar a estegrupo es como “elementos tóxicos”,los cuales, de acuerdo a la lista decontaminantes prioritarios de laAgencia de Protección Ambiental delos Estados Unidos (USEPA), incluyena los siguientes elementos: Arsénico(As), cromo (Cr), cobalto (Co), níquel(Ni), cobre (Cu), zinc (Zn), plata (Ag),cadmio (Cd), mercurio (Hg), titanio(Ti), selenio (Se) y plomo (Pb).
• Entre las principales fuentes deemisión de los metales de mayorpreocupación en México se tiene:Mercurio, Cadmio y Plomo; ademásArsénico y Cobre.
METALES PESADOS EN MEXICO
Los metales pesados se encuentran en forma natural en la corteza terrestre.
Estos se pueden convertir en contaminantes si su distribución en el ambiente se
altera mediante actividades humanas. En general esto puede ocurrir durante la
extracción minera, el refinamiento de productos mineros o por la liberación al
ambiente de efluentes industriales y emisiones vehiculares.
CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS
Las actividades humanas han ejercido un efecto considerable en la concentración y movilidad de los
metales en suelos.
•Productos químicos agrícolas y lodos residuales.
•Actividades de minería y fundición.
El proceso de minería implica: la extracción de las menas, el procesado preliminar, la evacuación de
los residuos y transporte de los productos semi-procesados. Todas estas operaciones pueden
producir una contaminación localizada de metales.
Generación de electricidad y otras actividades industriales. La combustión de carbón es una de las
principales fuentes de deposición de metales en suelos.
Las centrales térmicas de combustión de petróleo pueden ser fuentes de plomo, níquel y
vanadio.
Las mayores fuentes industriales de metales incluyen fábricas de hierro y acero que
emiten metales asociados con las menas de hierro, como el níquel.
Residuos domésticos. Aproximadamente el 10% de la basura está compuesta de metales.
Uno de los problemas más serios de las sociedades modernas es como deshacerse de
este volumen de basuras. Las dos alternativas son enterrar o incinerar. El enterramiento
puede contaminar las aguas subterráneas, mientras que la incineración puede contaminar
la atmósfera al liberar algunos de los metales volátiles.
CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS
CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS EN EL AGUA
Las aguas procedentes de las industrias como la minera, la de recubrimientos
metálicos, las fundidoras y otras más contaminan el agua con diversos metales.
Las normas oficiales mexicanas contra la contaminación ambiental consideran
metales contaminantes del agua (en orden de importancia por su abundancia)
a:
1. Aluminio
2. Plata
3. Cadmio
4. Arsénico
5. Cobre
6. Fierro
7. Mercurio
8. Cobalto
9. Vanadio
10. Manganeso
11. Níquel
12. Zinc
13. Magnesio
14. Antimonio
15. Cromo
16. Selenio
17. Titanio
18. Berilio
19. Estaño
20. Boro
21. Molibdeno
22. Tungsteno
23. Germanio
24. Bismuto
25. Plomo
26. Telurio
También se desechan aguas residuales industriales que contienen sustancias muy
tóxicas como los cianuros que son arrojados a las alcantarillas por industrias
dedicadas a la galvanoplastia o a la refinación y limpieza de metales.
Los procesos para reciclar y extraer del aire, del agua o del suelo a los
contaminantes de los metales pesados como el plomo, el mercurio y el cadmio
son muy costosos, por lo que hay que evitar arrojarlos al medio ambiente, además
de los graves daños que causan en los seres vivos.
La actividad industrial y minera arroja al ambiente metales tóxicos como plomo, mercurio, cadmio,
arsénico y cromo, muy dañinos para la salud humana y para la mayoría de formas de vida. Además,
los metales originados en las fuentes de emisión generadas por el hombre, incluyendo la combustión
de nafta con plomo, se encuentran en la atmósfera como material suspendido que respiramos. Por
otro lado, las aguas residuales no tratadas, provenientes de minas y fábricas, llegan a los ríos,
mientras los desechos contaminan las aguas subterráneas. Cuando se abandonan metales tóxicos
en el ambiente, contaminan el suelo y se acumulan en las plantas y los tejidos orgánicos.
La peligrosidad de los metales pesados es mayor al no ser química ni biológicamente degradables.
Una vez emitidos, pueden permanecer en el ambiente durante cientos de años. Además, su
concentración en los seres vivos aumenta a medida que son ingeridos por otros, por lo que la
ingesta de plantas o animales contaminados puede provocar síntomas de intoxicación.
A pesar de las abundantes pruebas de estos efectos nocivos para la salud, la exposición a
los metales pesados continúa y puede incrementarse por la falta de una política
consensuada y concreta. El mercurio todavía se utiliza profusamente en las minas de oro
de América Latina. El arsénico, junto con los compuestos de cobre y cromo, es un
ingrediente muy común en los conservantes de la madera. El aumento del uso del carbón
incrementará la exposición a los metales porque las cenizas contienen muchos metales
tóxicos que pueden ser aspiradas hasta el interior de los pulmones.
EFECTOS RESPECTO A LA SALUD POR CONTAMINACIÓN EN EL
AGUA CON METALES PESADOS
Cada metal y cada elemento químico contaminante tienen un mecanismo de acción y un lugar de
acumulación preferido.
El más conocido es el plomo que afecta varios sistemas, por ejemplo en el sistema nervioso llega a
dañar a las neuronas especialmente las del cerebro. El plomo afecta también a la medula ósea y
otro lugar donde es frecuente encontrarlo es el riñón, específicamente en sistema tubular de las
nefronas, Otro metal pesado es el cadmio que también afecta al riñón y otro que no es exactamente
un metal pero es un contaminante es el arsénico que tienen efecto directo en las mitocondrias.
Los daños en si son muy diversos dependiendo de cada metal, pero en
general se puede decir que hay lesión celular.
En cuanto al riñón, los metales pesados a la larga van a producir daño
renal que puede llegar hasta una insuficiencia renal.
Metal Síntomas Fuente natural
Fuente antropogénica Daños a la salud Limite maxPermisible
Plomo Galena
(PbS)
Fundición de metales, fábricas
de baterías, de loza, de
electrónica y computo,
elaboración de pigmentos,
latas, pinturas, utilización de
gasolina con Pb, en la actividad
minera.
Sistemas Respiratorio,
nervioso y cardiovascular,
Daña los riñones, cerebro,
causa anemia, infertilidad,
abortos, comportamiento
impulsivo y crecimiento
retardado de niños.
(Saturnismo).
0.01 ppm
Mercurio
Cinabrio
(HgS)
Plantas químicas y termoeléctricas,
minas de oro, plata y cobre, fundición
de metales, industrias de cloro y
sosa, de pulpas y papel, eléctricas,
pinturas, aplicación de fertilizantes,
Incineración de residuos peligrosos y
biológico infeccioso.
Bacteria-metilmercurio-
fitoplancton-peces hombre.
Afecta al sistema nervioso,
al esperma, síndrome de
down (46 a 47), ocasiona
defectos de nacimientos,
abortos, pérdida de la
memoria. Y enfermedades
como Acrodinia y Minamata.
0.001 ppm
Cadmio
Greenockita
(CdS): 50%
Actividades mineras de zinc,
plomo y cobre, industrias de la
galvanización, de baterías
recargables, de producción de
fertilizantes fosfatados,
plásticos (juguetes de niños,
bolígrafos) y PVC, pigmentos
de pinturas, quema de
combustibles fósiles. (50%).
Los alimentos que son
ricos en Cd: patés,
champiñones, mariscos,
mejillones, semilla de
cacao. Fumar. Se
acumula en los riñones,
provoca cáncer de
pulmones y próstata y
huesos débiles.
0.005 ppm
CICLO DEL MERCURIO
Las bacterias presentes en los cuerpos de agua lo absorben y lo transforman en
metilmercurio, la forma más tóxica del metal.
El metilmercurio es tomado por fitoplancton, el alimento de los peces pequeños, y
estos de los grandes, viajando a través de la cadena alimenticia hasta alcanzar el
hombre, en donde aparecen las concentraciones más altas.
METALES PESADOS EN MEXICO
Metal Síntomas Fuente natural
Fuente antropogénica Daños a la salud Limite maxPermisible
Arsénico
Arseniatos
(AsO4)
Industrias de cobre, deplomo y zinc, fundidorasde metales, se encuentraen los plaguicidas, enhuevos producidos ensistemas industriales.
Disminución deglóbulos rojos yblancos, llagas deaspecto leproso en elcuerpo, cáncer de piel,pulmón e hígado,infertilidad, abortos,perdida del cabello ydaño del cerebro.
0.01 ppm
Cobre Calcosina
La minería, las industrias,que producen pinturas,fertilizantes, colorantes ypesticidas, la incineraciónde basuras urbanas ycombustión de carbón.
En niveles altos: irritaciónde la nariz, la boca y losojos, vómitos, diarrea,calambres estomacales ynáusea. Cantidades muyaltas de daña hígado y losriñones y causar lamuerte. Se acumula en losojos, cerebro y riñón.
> 2 ppm
¿CUÁLES SON LAS MEDIDAS SANITARIAS PARA CONTROLAR LA
CONTAMINACIÓN DE ESTOS METALES PESADOS?
Lamentablemente, si el agua está contaminada, y la gente tiene que bañarse, tomar el agua, etc., no
se puede evitar el contacto con los metales pesados, es decir que no hay una medida directa como
por ejemplo hervir el agua en el caso de contaminación bacteriana, así que es imposible tomar una
medida directa, pero sí se puede prevenir evitando que los metales lleguen al agua y al suelo.
Es necesario entonces controlar las fuentes de contaminación con metales pesados; prevenir que
estos se difundan en el medio ambiente evitando que los desechos que contienen metales pesados
lleguen a él.
En concreto las medidas sanitarias son principalmente de prevención: identificar las fuentes de
contaminación, controlar la difusión a partir de estas, tratar de no incluir en los procesos industriales
materia prima que contenga metales pesados, y otras parecidas. Si ya existen suelos y aguas
contaminadas, se deben aplicar algunas medidas que se llaman de remediación.
Los sustratos contaminados suelen ser producto del trabajo minero, polución, industria de fundición y
chapado, deposito de origen atmosférico de incineradores y tubos de escape de vehículos, uso de
fertilizantes y pesticidas, y el deposito de lodos y barros residuales.
Este mecanismo de solubilización es utilizado en la industria minera. Por intermedio
de la acción microbiana, los metales presentes en los minerales resultan extraídos en
fase acuosa. Tal es el caso de la obtención de Cu por la oxidación de Cu2S (calcocita)
a CuSO4 por intermedio de la acción de las bacterias Acidithiobacillus ferroxidans y
Acidithiobacillus thiooxidans (bacterias oxidadoras del hierro o sulfuros) permitiendo
separar el cobre de los minerales sólidos con los que se encontraba mezclado. Este
método se usa principalmente en la industria de cobre con una duración de 75-90
días.
Los minerales no están disponibles en las minas en su estado puro como el que
compramos desde las tiendas. El mineral debe ser sometido primero a un proceso delixiviación para obtener el metal en estado puro.
2Cu2S + O2 + 4H = 2CuS + 2H2O + 2CuCuS + 2O2 = Cu + SO4
• El impacto ambiental de la minería siempre ha sidomuy fuerte, ya que los metales son compuestosinorgánicos muy difíciles de degradar y suelenpermanecer en aguas y suelos por largos periodos detiempo, además de ser tóxicos en altasconcentraciones.
• En muchos lugares donde la minería ha llenadocuerpos de agua y suelos con desechos minerales, sehan podido aislar diversas bacterias que puedendegradarlos. La más común es el Acidithiobacillusferrooxidans.
• Acidithiobacillus ferrooxidans vive en depósitos depirita (FeS2), metabolizando hierro y azufre yproduciendo ácido sulfúrico.
• Acidithiobacillus thiooxidans consume azufre yproduce ácido sulfúrico.
• Ambas especies de bacterias se usan en procesosmineros llamados biolixiviación donde se extraenminerales más puros a través de la oxidación, dondelas bacterias se usan como catalizadores.
Acidithiobacillus ferrooxidans y A. thiooxidans
FeS2 + 302 +2H2O =2H2SO4 + 2S +Fe
2S + 3O2 + 2H2O= 2H2SO4
Los metales se liberan del
mineral por solubilización
con el ácido sulfúrico
derivado de la oxidación del
azufre.
• El término biooxidación es utilizado para describir unproceso que emplea bacterias para degradar unsulfuro, usualmente pirita (FeS2) o arsenopirita(FeAsS), en la que el oro o la plata, o ambos, seencuentran encapsulados.
Acidithiobacillus ferrooxidans y A. thiooxidans
Este mecanismo celular involucra un
sistema de transporte de membrana que
internaliza al metal pesado presente en
el entorno celular con gasto de energía.
Una vez incorporado el metal pesado al
citoplasma, éste es secuestrado por la
presencia de proteínas ricas en grupos
sulfhidrilos llamadas metalotioneínas
(cisteína) o también puede ser
secuestrado dentro de una vacuola,
como ocurre en hongos.
Están presentes estas proteínas en la
cianobacteria Syneccococus sp;
levaduras como Saccharomyces
cerevisiae y Candida albicans y
Pseudomonas aeruginosa.
BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL
Este es un proceso que involucra un
cambio químico sobre el metal
pesado. Esta transformación biológica
de los metales pesados que resultan
tóxicos mediada por enzimas
microbianas puede dar como resultado
compuestos poco solubles en agua o
bien compuestos volátiles. Entre los
microorganismos se encuentran
Micrococcus y Pseudomonas que
actúan en plomo y mercurio.
• La biosorción es un fenómeno ampliamente
estudiado en la biorremediación de diversos
metales pesados como el cadmio, cromo, plomo,
níquel, zinc y cobre Los fenómenos de biosorción
se caracterizan por la retención del metal mediante
una interacción físicoquímica del metal con ligandos
pertenecientes a la superficie celular. Esta
interacción se produce con grupos funcionales
expuestos hacia el exterior celular pertenecientes a
partes de moléculas componentes de las paredes
celulares, como por ejemplo carboxilo, amino,
hidroxilo, fosfato y sulfhidrilo (SH-).
• Los microorganismos involucrados son: Bacterias
(Zoogloea ramigera, Pseudomonas syringae);
Hongos (Aspergillus niger, Ganoderma lucidum,
Penicillium digitarum).
• Es por ello que la búsqueda de este tipo de
microorganismos se encuentra en crecimiento
constante.
Biosorción
• BiomineralizaciónLos microorganismos soncapaces de precipitar metalescomo carbonatos e hidróxidos.Esto se produce mediante unaalcalinización localizada sobre lasuperficie celular externa y por lotanto la precipitación del metal
pesado.Otra forma de precipitar losmetales es a través de laformación de sulfuros o fosfatos,como resultado de algunaactividad enzimática celular en lapared celular de las bacteriasKlebsiella planticola yPseudomonas aeruginosa.
• La contaminación de los suelos debido a los
metales pesados es uno de los problemas
más graves de la actualidad.
• Ralstonia eutropha CH34 (bacteria del suelo)
se trata de la primera bacteria capaz de luchar
contra el cadmio y otros . Se le ha introducido
en el genoma de la bacteria un gen de ratón.
El gen de ratón introducido en el genoma de la
bacteria provoca la secreción de una proteína
(metalotioneínas) de unión a metales pesados
en la superficie celular del microorganismo.
Mediante procedimientos de ingeniería
genética, han conseguido finalmente esta
bacteria recombinante que tiene la facultad de
disminuir la toxicidad del suelo en el que se
encuentra.
ELIMINACION DE METALES PESADOS
• En el laboratorio se demostró que ciertascepas mutantes de Escherichia colipodían detoxificar medios líquidos conaltas concentraciones de cobre.
• Se usa la bacteria Cupriavidusmetallidurans para eliminar metalespesados en aguas y suelo.
• Pueden crecer en concentracionesmasivas de cloruro de oro(AuCl3.ClH.3H2O) u oro líquido, uncompuesto químico tóxico que seencuentra en la naturaleza.
• Investigadores de la Universidad deMichigan han alimentado las bacteriascon cloruro de oro, imitando el procesoque ocurre en la naturaleza. Al cabo deuna semana de "digestión" el "residuo"excretado resulta ser una pepita de oro de24 kilates.
• La Abatori condii (transgénica)
es una nueva cepa capaz de
eliminar residuos de cobre,
plomo, cromo, cloro, o que
degraden desechos industriales
que actualmente no son
biodegradables.
• La gama de bacterias
Sphaerotilus, se aplica en la
reducción de fosfatos en agua.
Abatori condii y Sphaerotilus natans
• La fitorremediación aprovecha la capacidad de ciertasplantas para absorber, acumular, metabolizar,volatilizar o estabilizar contaminantes presentes en elsuelo, agua o sedimentos como: metales pesados,metales radioactivos, compuestos orgánicos ycompuestos derivados del petróleo.
• CARACTERISTICAS DE LAS PLANTAS• Deben estar adaptadas a las condiciones ambientales
y de suelo.
• Deben crecer rápido. Tener una rápida tasa decrecimiento y alta productividad.
• Ser tolerantes a altas concentraciones de metales.
• No concentrar tóxicos en partes comestibles.
• Las plantas deben ser hiperacumuladoras de metaleso ciertas substancias.
• Ser especies locales, representativas de lacomunidad natural.
• Ser fácilmente cosechables.
• Según la base de datos PHYTOREM de Canadá.Global, hay cerca de 775 especies de plantasfitorremediadoras acuáticas y silvestres.
• 400 especies son hiperacumuladoras: 75% acumulanNi.
FITORREMEDIACION
• Es una tecnología sustentable.
• Es eficiente para tratar diversos tipos decontaminantes in situ.
• Es aplicable a ambientes con concentracionesde contaminantes de bajas a moderadas.
• Es de bajo costo, no requiere personalespecializado para su manejo ni consumo deenergía.
• Es poco perjudicial para el ambiente.
• No produce contaminantes secundarios y por lomismo no hay necesidad de lugares paradesecho.
• Tiene una alta probabilidad de ser aceptadapor el público, ya que es estéticamenteagradable
• Tiene una versatilidad potencial para tratar unagama diversa de materiales peligrosos.
• Se pueden reciclar recursos (agua, biomasa,metales.
VENTAJAS
PLANTAS QUE TOLERAN O UTILIZAN METALES PESADOS
La mayoría de las plantas capaces de crecer en tierras ricas en metales lo hacen excluyendo
iones potencialmente tóxicos de sus sistemas de raíces. En otras plantas, los metales son
utilizados como micro nutrientes, aunque a menudo aún concentraciones mínimas saturan a la
planta. La habilidad de tolerar la presencia de metales pesados está determinada por el nivel de
variación genética del individuo.
Las plantas más tolerantes son las conocidas como "hiper acumuladores de metales".
LOS HIPER ACUMULADORES
Son plantas que acumulan altas
concentraciones de metales en sus tejidos
y tienen dos características principales:
* la habilidad de crecer y desarrollarse en
tierras con unos niveles de metales, tóxicos
para casi todas las especies de plantas.
* los metales se acumulan exclusivamente
en el tallo, y no en las raíces.
Los hiper acumuladores tienen las
desventajas de ser pequeñas y tardar
mucho en crecer. Esto es una desventaja
ya que el objetivo es utilizar estas plantas o
sus características para purificar tierras
contaminadas por metales tóxicos – la
fitodescontaminación.
LA VACUOLA
Este orgánulo celular ocupa un espacio considerable en las células vegetales y es un "almacén"
rodeado por un sistema similar a un filtro, la membrana.
Al guardarse en la vacuola las células no sufren los efectos tóxicos de estos materiales. La vacuola
representa entre un 40 y un 70% del volumen total de una célula vegetal, por lo que habría una
capacidad enorme.
El proceso es el siguiente: cuando un metal pesado entra en una célula vegetal es inmovilizado
(atrapado por materiales similares a una esponja -fitoquelatinas), y luego los metales junto con la
fitoquelatinas pasan a la vacuola. De este modo la célula tiene dos sistemas de protección: la unión
del metal con la fitoquelatina; y su depositación en la vacuola.
De esta manera se podrían plantar plantas como la patata en terrenos contaminados por metales
tóxicos para que absorban lo más posible de estos metales tóxicos o venenos.
• Existen varias técnicas de fitorremediación aplicables a
suelos contaminados con elementos tóxicos:
Fitoextracción
Fitoestabilización
Fitodegradación
Fitovolatilización
Fitorrestauración
La Fitoextracción o Fitoacumulación• El uso de plantas para remover metales desde el suelo, transportarlos y
concentrarlos como biomasa en la parte superficial (plantas
hiperacumuladoras: Brassica y plantas con mucha biomasa). Brassica
juncea – acumula selenio, sulfuro, plomo, cromio, cadmio, níquel, zinc y
cobre.
• Estas posteriormente se cortan o se cosechan y se incineran.
Fitoestabilización
• Se basa en el uso de plantas tolerantes ametales para inmovilizarlos a través de suabsorción y acumulación en las raíces oprecipitación por exudados de la planta (gomas yresinas insolubles) en la rizósfera, disminuyendosu movilidad y biodisponibilidad para otrasplantas o microorganismos en suelos donde lagran cantidad de contaminantes imposibilita lafitoextracción.
LEMNA MINOR
Fitodegradación
• Se refiere a la degradación o eliminación de
contaminantes tóxicos a través de las enzimas
de las plantas, o por la acción de
microorganismos rizosféricos.
Fitovolatilización
• Cuando los arboles absorben agua contaminada
con compuestos tóxicos volátiles, eliminan la
gran mayoría del COV en la evapotranspiración
de las hojas.
Fitorrestauración
• Está referida a la reforestación de áreas
contaminadas con especies resistentes de
rápido crecimiento, que previenen la migración
de partículas contaminantes y la erosión de los
suelos.
• Las comunidades bacterianasasociadas a las raíces de lasplantas hiperacumuladoras demetales desempeñan una funciónmuy importante en el proceso deextracción del metal contenido enel suelo.
• Es por ello que lafitorremediación demanda delestudio de las comunidadesmicrobianas relacionadas conestas plantas y de lasinteracciones que losmicroorganismos estables conestas.
• Biotecnología de plantas y la
fitorremediación
• Adaptación y recombinación
genética para incrementar la
eficiencia de las capacidades
fitorremediantes de una planta.
• Introducción de rasgos de
metaloacumuladoras en plantas de
rápido crecimiento y alta biomasa.
• Algunas enzimas presentes en la
planta descomponen estos
contaminantes en productos
utilizables para el metabolismo de
la planta.
Salvinia molesta Elodea canadensis Helianthus annuus
Brassica napus Carex gracilis Cichorium intybus
Arabidopsis thaliana Populus spp Nicotiana tabacum
Vetiveria zizanoidesRaphanus sativus Daucus carota
Myriophylum aquaticum
Beta vulgarisAzadirachta indica
APROVECHAR LAS CARACTERÍSTICAS DE ESTE TIPO DE PLANTAS
El objetivo es transferir la cualidad hiper acumulativa, utilizando técnicas de ingeniería genética, a
especies mayores, más robustas y que crezcan más rápidamente. Hay que sobre expresar estos
genes en plantas transgénicas que mostraran las características de hiper acumulación y de una gran
tolerancia a metales. Para que esto sea posible es necesario un progreso en la identificación de las
propiedades metabólicas clave que permiten a estas plantas tolerar concentraciones elevadas de
metales pesados.
Nombre de la planta: Alyssum Bertolinii
Metal que absorbe :NíquelNombre de la planta: Thlaspi calaminare
Metal que absorbe : Zinc
Nombre de la planta: T. Rotundifolium
Metal que absorbe : PlomoNombre de la planta: Haumaniastrum KatangenseMetal que absorbe : Cobre
