用组态软件对无公害蔬菜生长环境的检测设计.docx
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用组态软件对无公害蔬菜生长环境的检测设计
用组态软件对无公害蔬菜生长环境的检测设计
摘要
在重金属污染土壤的严峻形势下,若不加处理就会严重危害生态环境与人体健康。
本文就针对在蔬菜基地中重金属铅、镉、铬、汞和砷的含量进行检测,以国家规定的无公害蔬菜标准评价重金属污染状况。
本文以实现对无公害蔬菜的生长环境进行检测为目的,在认真查阅了大量的国内外相关的科技文献的基础上,对重金属的污染和检测有了详细的了解。
讨论比较了每种技术的优缺点和适用范围,提供了研究和应用情况。
展望了各种技术在污染土壤恢复重建中的应用前景。
应用石墨炉原子吸收分光光度法测定土壤中的铅和镉含量;用冷原子吸收法检测土壤中的汞含量;用硼氢化钾-硝酸银分光光度法测定土壤中的砷的含量;用硫酸亚铁铵滴定法测定土壤中的铬含量。
设计的核心是利用北京亚控公司的组态王软件对无公害蔬菜生长环境进行了模拟测定,实现了对无公害蔬菜生长环境系统的检测设计。
关键词:
重金属,污染土壤,组态王,无公害蔬菜
THEDETECTIONDESIGNOFPOLLUTION-FREEVEGETABLES’GROWTHENVIRONMENTBASEDONKINGVIEWSOFTWARE
ABSTRACT
Withtheseverecircumstancesoftheheavymetalwhichhascontaminatedsoils,bothhumanhealthandecologicalenvironmentmaybeindangersupposingtheheavymentalhasfailedtobedealtwith.MypapersondeterminationofheavymetalofPb,Cd,Cr,HgandAsisconductedinvegetablebases,bythestandardofpollution-freevegetableformulatedbythestate.
Thepapers’aimisachievingthemeasurementsofthegrownenvironmentofpollution-freevegetable.Basedonearnestlycheckingthecorrelativeliteratures,theharmofheavymetalandthemeasurementsaredetailed.Detaileddiscussionsofthesetechnologiesarecontainedinthisarticle.Eachdiscussionconsistsofatechnologydescriptionwithitsadvantagesanddisadvantages,status,performance,andprospect.ThedeterminationofPbandCdinpollutedsoilsisstudiedwiththeAA320NatomicabsorptionspectrophometerandtheGA3202graphitefurnacesystem;ThedeterminationofHginpollutedsoilsisstudiedwithColdVaporAtomicAbsorptionSpectrometry;ThedeterminationofAsinpollutedsoilsisstudiedwithPotassiumBorohydride-SilverNitrateSpectrophotometry;ThedeterminationofCrinpollutedsoilsisstudiedwithFerrousAmmoniumSulfateTitrate.
Theanalogdeterminationofthesurroundingsofpollution-freevegetablebyKingviewisthecoreofthedesign,whichcarryoutthedeterminationdesign.
Keywords:
heavymetal,pollutedsoils,Kingview,pollution-freevegetable
1.土壤中有毒物质测定概述
土壤是陆地表面具有一定肥力、能够生长植物的的疏松表层。
它处于岩石圈、水圈、大气圈和生物圈相互紧密接触的地带,是环境的组成要素之一。
土地又是一个复杂的,独立的生态系统,它能与周围环境发生物质和能量的交换,输入土壤内的物质和能量,一方面维持土壤本身的活动,另一方面又通过输出的形式,不断供应和调节植物水分、养分、空气和热量,因此土壤是植物生长的母体,是人类生存环境不可缺少的组成部分,是人类赖以生存的自然资源。
土壤环境和土壤质量的好坏、优劣直接关系到植物、动物、人类的生存安全,直接影响到农业生产的发展。
土壤污染最早出现在发达国家,随着发达国家的工业高速发展,土壤污染事件多次发生,土壤环境保护才重视起来,因此,要及时、准确的对土壤污染进行监测,利用检测结果对污染现状进行评价,预测污染发展和趋势,对已造成的污染进行治理,提出预防的对策和措施。
1.1土壤污染概述
“厚土载物”,是土地养育了生命,为生命提供着必需的能源,使生命繁衍生息。
如今,大地却病了。
不易察觉的污染沉积在土壤之中,酿成了不容忽视的“隐患”。
我国国土面积的一半有不同程度的污染,耕地重金属污染程度为12%,国土酸雨污染程度为29%,这是一串让人震惊的数字……
土壤污染是指人类活动所产生的物质(污染物),通过多种途径进入土壤,其数量和速度超过了土壤容纳的能力和土壤净化速度的现象。
土壤污染可使土壤的性质、组成及性状等发生变化,使污染物质的积累过程逐渐占据优势,破坏了土壤的自然动态平衡,从而导致土壤自然正常功能失调,土壤质量恶化,影响作物的生长发育,以致造成产量和质量的下降,并可通过食物链引起对生物和人类的直接危害,甚至形成对有机生命的超地方性的危害。
土壤重金属污染是由重金属引起的土壤污染。
污染土壤的重金属主要包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素,以及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。
重金属对土壤的污染基本上是一个不可逆转的过程,许多有机化学物质的污染也需要较长时间才能降解,被某些重金属污染的土壤甚至可能要100~200年时间才能够恢复。
如果大气和水体受到污染,切断污染源之后通过稀释作用和自净化作用也有可能使污染问题不断逆转,但是积累在污染土壤中的难降解污染物则很难靠稀释作用和自净化作用来消除。
土壤污染一旦发生,仅仅依靠切断污染源的方法则往往很难恢复,有时要靠换土、淋洗土壤等方法才能解决问题,其他治理技术可能见效较慢。
因此,治理污染土壤通常成本较高、治理周期较长。
大气污染、水污染和废弃物污染等问题一般都比较直观,通过感官就能发现。
而土壤污染则不同,它往往要通过对土壤样品进行分析化验和农作物的残留检测,甚至通过研究对人畜健康状况的影响才能确定。
因此,土壤污染从产生污染到出现问题通常会滞后较长的时间。
如日本的“骨痛病”经过了10~20年之后才被人们所认识。
污染物质在大气和水体中,一般都比在土壤中更容易迁移。
这使得污染物质在土壤中并不象在大气和水体中那样容易扩散和稀释,因此容易在土壤中不断积累而超标,同时也使土壤污染具有很强的地域性。
工业废水和污水未经处理便排入江河湖泊,严重影响了土壤的生产性能和利用价值。
全世界由于污水侵蚀农田,已使农作物的产量大幅度下降。
联合国组织250多名土壤科学工作者用3年时间对全球大量的土壤状况做了调查和评估,二战以来,在人类的活动中,共毁坏了10.5%的最肥沃的土地。
遭受严重侵蚀的土地约占总面积的2/3。
而根本不可能恢复的耕地大约有3亿公顷(约1/3个中国)。
1.1.1我国土壤污染的现状
我国是耕地资源极其匮乏的国家,数量正在不断减少,并已成为限制农业可持续发展的重大障碍。
另一方面,我国的土壤污染问题在不断恶化。
尤其是在本世纪人口达到历史高峰期,我国粮食需求的增长和经济的高速发展,对土壤环境保护工作提出严峻的挑战。
据报道,目前我国受镉、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000万公顷,约占总耕地面积的1/5;其中工业“三废”污染耕地1000万公顷,污水灌溉的农田面积已达330多万公顷。
污水灌溉及废弃物等对农田已造成大面积的土壤污染。
据我国农业部进行的全国污灌区调查,在约140万hm2的污水灌区中,遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%,其中轻度污染的占46.7%,中度污染的占9.7%,严重污染的占8.4%。
我国每年因重金属污染而减产粮食1000多万吨,被重金属污染的粮食每年多达1200万吨,合计经济损失至少200亿元。
从目前重金属污染调查情况来看,我国大多数城市近郊土壤都遭受不同程度的污染。
最近的调查资料显示,江苏省某丘陵地区14000km2范围内,铜、汞、铅和镉等的污染面积达35.9%。
广东省地勘部门土壤调查结果显示,西江流域的1万km2土地遭受重金属污染的面积达5500km2,污染率超过50%,其中,汞的污染面积达1257km2,污染深度达到地下40cm。
目前我国土壤的有机污染也十分严重,且对农产品和人体健康的影响已开始显现。
如我国从1959年起在长江中下游地区用五氯酚钠防治血吸虫病,其中的杂质二噁英已造成区域性二噁英类污染,洞庭湖、鄱阳湖底泥中的二噁英含量很高。
有机氯农药已禁用了近20年,土壤中的残留量已大大降低,但检出率仍很高。
广州蔬菜土壤中六六六的检出率99%,DDT检出率为100%。
太湖流域农田土壤中六六六、DDT检出率仍达100%,一些地区最高残留量仍在1mg/kg以上。
同时,随着城市化和工业化进程的加快,城市和工业区附近的土壤有机污染日益加剧。
中科院南京土壤研究所近期对某钢铁集团四周的农业土壤和工业区附近的土壤进行了调查,结果表明,农业土壤中15种多环芳烃(PAHs)总量的平均值为4.3mg/kg,且主要以4环以上具有致癌作用的污染物为主,占总含量的约85%,仅有6%的采样点尚处于安全级。
而工业区附近的土壤污染远远高于农业土壤:
多氯联苯、多环芳烃、塑料增塑剂、除草剂、丁草胺等,这些高致癌的物质可以很容易在重工业区周围的土壤中被检测到,而且超过国家标准多倍。
对天津市区和郊区土壤中的10种PAHs的调查结果表明,市区是土壤PAHs含量超标最严重的地区,其中二环萘的超标程度最严重,强致癌物质苯并芘的超标情况也不容乐观。
在我国西藏,未受直接污染的土壤中多氯联苯含量在0.625~3.501g/kg,而在沈阳市检出其含量在6~151g/kg。
1.2土壤污染的种类
土壤的污染源是十分复杂的,所以土壤污染物的种类也极为繁多,有化学污染、物理污染、生物污染和放射污染等,其中以土壤的化学污染最为普遍、严重和复杂。
化学污染物质可分为无机污染物和有机污染物两大类。
1.2.1无机物的污染
土壤无机污染物中以重金属比较突出,主要是由于重金属不能为土壤微生物所分解,而易于积累,转化为毒性更大的甲基化合物,甚至有的通过食物链以有害浓度在人体内蓄积,严重危害人体健康。
土壤重金属污染物主要有汞、镉、铅、铜、铬、砷、镍、铁、锰、锌等,砷因其行为与来源以及危害都与重金属相似,故通常列入重金属类进行讨论。
就植物的需要而言,可分为两类:
一类是植物生长发育不需要的元素,而对人体健康危害比较明显,如镉、汞、铅等;另一类是植物正常生长发育所需元素,且对人体又有一定生理功能,如铜、锌等,但过多会发生污染,妨碍植物生长发育。
(1)汞的污染
汞是有剧毒性的微量元素,它具有挥发性和累积性。
汞在空气中传输扩散,最后沉降到水和土壤中,从而对环境和人体健康构成极大隐患。
大气中汞的浓度往往较低,一般不为人们所重视。
如果汞直接或通过大气沉降进入水体,它将以毒性更大的形态-甲基汞在鱼和动物组织中累积。
甲基汞和二甲基汞也可富集于藻类、鱼类和其它水生生物中。
生物累积导致处在食物链顶端的食肉动物体内的汞浓度数千倍甚至数百万倍于水中的汞浓度,从而在整个食物链中富集。
土壤的汞污染主要来自于污染灌溉、燃煤、汞冶炼和制剂厂的排放、含汞颜料的应用含汞农药的施用等。
汞对人的危害主要表现在以甲基汞的形式通过食物链进入人体,并在人的中枢神经系统中富集,造成像神经错乱、牙齿脱落,骨骼酥松等症状,如水俣病。
汞及其化合物通过呼吸道、皮肤和消化道等不同途径侵入人体,造成神经性中毒和深部组织病变,而且汞毒性具有积累性,往往需几年或十几年才有表现。
(2)镉的污染
镉是一种毒性很大的重金属,其化合物也大都属毒性物质。
常与锌共生,所以冶炼锌的排放物中必有CdO,以污染源为中心可波及数千米远。
金属矿的开采和冶炼、电镀、颜料等是镉的主要人为污染源。
镉工业废水灌溉农田也是镉污染的重要来源。
土壤中镉的存在形态大致可分为水溶性和非水溶性镉两大类。
离子态和络合态的水溶性镉CdC12等能为作物吸收,对生物危害大,而非水溶性镉CdS、CdCO3等不易迁移,不易被作物吸收,但随环境条件的改变二者可互相转化。
震惊世界的日本“痛痛痛”就是因镉污染而致。
含镉的矿山废水污染了河水及河两岸的土壤、粮食、牧草、通过食物链进入人体而慢慢积累,在肾脏和骨骼中。
会取代骨中钙,使骨骼严重软化,骨头寸断;镉会引起胃脏功能失调,干扰人体和生物体内锌的酶系统,使锌镉比降低,而导致高血压症上升。
(3)铅的污染
铅是土壤污染较普遍的元素。
污染源主要来自汽油里添加抗爆剂烷基铅,随汽油燃烧后的尾气而积存公路两侧百米范围内的土壤中,另外,铅字印刷厂、铅冶炼厂、铅采矿场等也是重要的污染源。
一般进入土壤中的铅在土壤中易与有机物结合,极不易溶解,土壤铅多发现在表土层,表土铅在土壤中几乎不向下移动。
铅对植物的危害表现为叶绿素含量下降,阻碍植物的呼吸及光合作用。
铅进入人体后,除部分通过粪便、汗液排泄外,其余在数小时后溶入血液中,阻碍血液的合成,导致人体贫血,出现头痛、眩晕、乏力、困倦、便秘和肢体酸痛等;有的口中有金属味,动脉硬化、消化道溃疡和眼底出血等症状也与铅污染有关。
小孩铅中毒则出现发育迟缓、食欲不振、行走不便和便秘、失眠;若是小学生,还伴有多动、听觉障碍、注意不集中、智力低下等现象。
铅进孕妇体内则会通过胎盘屏障,影响胎儿发育,造成畸形等。
(4)铬的污染
铬的污染源主要是电镀、制革废水、铬渣等。
铬在土壤中主要有两种价态:
Cr6+和Cr3+。
两种价态的行为极为不同,前者活性低而毒性高,后者恰恰相反。
Cr3+主要存在于土壤与沉积物中,Cr6+主要存在于水中,但易被Fe2+和有机物等还原。
植物吸收铬约95%留在根部。
据研究,低浓度的Cr6+能提高植物体内酶活性与葡萄糖含量,高浓度时则阻碍水分和营养向上部输送,并破坏代谢作用。
铬对人体与动物有利有弊。
人体中含铬过低会产生食欲减退症状。
但饮水中超标400倍时,会发生口角糜烂、腹泻、消化紊乱等症状。
(5)砷的污染
土壤砷污染主要来自大气降尘与含砷农药。
燃煤是大气中砷的主要来源。
土壤中砷大部分为胶体吸收或和有机物络合或与土壤中铁、铝、钙离子形成难溶化合物,或与铁、铝等氢氧化物共沉淀。
Ph和Eφ值影响土壤对砷的吸附。
Ph值高砷吸附量减少而水溶性砷增加;在氧化条件下,大部是砷酸,易被胶体吸附,增加了土壤固砷量。
随Eφ降低,砷酸转化为亚砷酸,促进砷的可溶性,增加砷害。
砷对植物危害的最初症状是叶片卷曲枯萎,进一步是根系发育受阻,最后是植物根、茎、叶全部枯死。
砷对人体危害很大,它能使红血球溶解,破坏正常生理功能,甚至致癌等。
砷侵入人体后,除由尿液、消化道、唾液、乳腺中排泄外,就蓄积于骨质疏松部、肝、肾、脾、肌肉、头发、指甲等部位。
砷作用于神经系统、刺激造血器官,长时期的少量侵入人体,对红血球生成有刺激影响,长期接触砷会引发细胞中毒和毛细管中毒,还有可能诱发恶性肿瘤。
1.2.2有机物的污染
有机污染物土壤中的有机污染物是化学农药,目前在世界范围内大量使用的农药约50余种,有有机氯类、有机磷类、氨基甲酸酯类、苯氧羧酸类、苯酰胺类等。
石油、多环芳烃、多氯朕苯、甲烷等也是土壤中常见的有机污染物。
农药施用后,一部分附着于植物体上,或渗入株体内残留下来,使粮、菜、水果等受到污染;另一部分散落在土壤上(有时则是直接施于土壤中)或蒸发、散逸到空气中,或随雨水及农田排水流入河湖,污染水体和水生生物。
农产品的残留农药通过饲料,污染禽畜产品。
农药残留通过大气、水体、土壤、食品,最终进入人体,引起各种慢性或急性病害。
易造成环境污染及危害较大的农药,主要是那些性质稳定、在环境或生物体内不易降解转化,而又有一定毒性的品种,如滴滴涕(DDT)等持久性高残留农药。
农药分有机农药和无机农药。
污染主要由有机氯农药、有机磷农药和有机氮农药等造成。
有机氯农药,如六六六、DDT等,稳定性强,不易分解,大量使用不仅直接造成对农作物的污染,同时农药残留在水、土中,通过食物进入人体,危害健康。
有机氯农药通过食物链进入人体后,在人体中日积月累,而人体又不能通过新陈代谢把它排出体外,因此,人体的有机氯农药含量会越来越高,达到一定程度就会发生中毒。
有机氯农药由于具有不易分解的稳定性,已经污染了地球上的每一个角落,连南极大陆的企鹅体内也已发现有机氯农药。
人类从40年代起开始使用农药除虫除草,每年挽回农业总产量15%左右的损失。
但是,由于多数农药对人和动物有毒害,大量接触以及误食后会造成急性中毒和死亡。
据世界卫生组织报道,发展中国家的农民由于缺乏科学知识和安全措施,每年有200万人农药中毒,其中有4万人死亡,平均每10分钟有28人中毒,每17分钟有1人死亡!
而这还不包括因农药污染而导致死胎、致癌、流产的受害者。
根据对68个国家的调查,急性中毒的人有93%是由有机氯、有机磷和汞制剂等农药所引起。
少量农药在人体内的积累引起的慢性中毒也不可忽视。
农药污染已在许多国家造成公害。
许多国家已禁止使用DDT、狄氏剂、氯制剂等农药,并积极研制和生产低毒高效农药,同时讲究农药使用的科学性,大力提倡生物防治,保护益鸟、益虫,做到“以鸟治虫”、“以虫治虫”。
1.3土壤污染的主要发生途径
污染物质可以通过多种途径进入土壤,其主要发生类型可归纳为以下四种。
(1)大气污染型:
污染物质来源于被污染的大气,污染物质主要集中在土壤表层,其主要污染物是大气中的二氧化硫、氮氧化物和颗粒物等,它们通过沉降和降水而降落地表。
如由于大气中的二氧化硫等酸性氧化物使雨水酸度增加,可引起土壤酸化,破坏土壤肥力与生态系统的平衡;各种大气飘尘(包括重金属、非金属有毒有害物质及放射性散落物等降落地面,会造成土壤的多种污染。
(2)水污染型:
城乡工矿企业废水和生活污水,未经处理不实行清污分流,就直接排放,会使水系和农田遭到污染。
特别是在水源不足的地区,引用污水灌溉,常使土壤受到重金属、无机盐、有机物和病原体的污染,并影响到作物、蔬菜的质量。
(3)固体废弃物污染型:
主要是工厂矿山的尾矿废渣、污泥和城市垃圾等作为肥料施用或在堆放过程中通过扩散、降水淋洗等直接或间接地影响土壤。
(4)农业污染型:
污染物主要来自施入土壤的化学农药和化肥,其污染程度与化肥、农药的数量、种类、利用方式及耕作制度等有关。
有些农药如有机氯杀虫剂、666等,在土壤中长期残留,并在生物体内富集;氮、磷等化学肥料,凡未被植物吸收利用和未被根层土壤吸附固定的养分都在根层以下积累或转入地下水,成为潜在的环境污染物。
残留在土壤中的农药和氮、磷等化合物在地面径流或土壤风蚀时,就会向其他地方转移、扩大土壤的污染范围。
上述土壤污染类型是相互联系的,它们在一定的条件下可以相互转化。
固体废弃物污染型可以转化为水污染型和大气污染型,农业污染型本身就是固体废弃物污染型、大气污染型及水污染型。
1.4防治土壤重金属离子污染的措施
控制和消除土壤污染源,是防止污染的根本措施。
即控制进入土壤中的污染物的数量和速度,使其在土体中缓慢的自然降解,不致迅速大量地进入土壤,引起土壤污染。
具体的措施有:
(1)生物防治
土壤污染物可以通过生物降解或吸收而净化土壤。
研究分离和培育新的微生物品种,以增强生物降解作用。
这是提高土壤净化能力的重要措施之一。
(2)施加抑制剂
轻度污染的土壤施加某些抑制剂,可改变污染物在土壤中的迁移转化方向,促进某些有毒物质的移动,淋洗或转化为难溶物质而减少作物吸收。
常用的控制剂有石灰、碱性磷酸盐等。
(3)控制氧化还原条件
水稻田的氧化还原状况,可控制水稻田中重金属的迁移转化。
(4)增施有机肥,改良砂性土壤
有机胶体和粘土矿物对土壤中重金属有一定的吸附力。
因此,增加土壤有机质,改良砂性土壤,能促进土壤对有毒物质的吸附作用,是增加土壤容量,提高土壤自净能力的有效措施。
(5)换土、深翻、刮土
被重金属严重污染的土壤在面积不大的情况下,可采用换土法,这是目前彻底清除土壤污染的最有效手段,但是对换出的污染土壤必须妥善处理,防止次生污染。
此外也可进行深翻,将污染的土壤翻到下层,掩埋深度应根据不同作物根系发育特点,以不致污染作物为原则。
1.5无公害蔬菜
俗话说“宁可三日无荤,不可一日无菜”。
蔬菜是人们赖以生存必不可少的重要副食品之一,含有大量的丰富的维生素、矿物质元素、碳水化合物、蛋白质等营养物质,无公害蔬菜对人类有百利而无一害,科学的膳食可减少和防止一些疾病发生。
市场上销售的蔬菜主要分“放心菜”、“无公害蔬菜”和“有机蔬菜”三种。
“放心菜”是按照国家标准生产、加工,有害物质残留在安全标准范围内的合格产品,但并不是什么认证产品,而是对“安全”农产品的一种比喻。
而无公害蔬菜、有机蔬菜则是经过认证的产品,无公害蔬菜的标准是确保食用安全的一个基本标准,它要求有毒有害物质的残留量控制在安全标准范围内。
有机蔬菜对环境和技术的要求最高,标准也最严格,要求在生产和加工过程中完全不使用人工合成的化肥、农药等化学物质。
可以说,有机蔬菜是安全等级最高的蔬菜。
无公害蔬菜就是指没受有害物质污染的蔬菜,在现实的环境条件下,完全不受有害物质污染的商品蔬菜是很难生产的,只能相对而言,在目前的条件下,只能有相对的标准,不可能以绝对的标准来衡量,所以无公害蔬菜实际上是指商品蔬菜中不含有某些规定不准含有的有毒物质,而对有些不可避免的有害物质则要控制在允许范围以下,保证人们食菜安全。
归纳起来就是优质卫生,优质是指品味好,外观美,维生素c和可溶性糖含量高,符合商品营养要求;卫生是指“三个不超标”:
一是农药残留不超标,无公害蔬菜不含禁用的高毒农药,其他农药残留不超过标准允许量。
二是硝酸盐含量不超标,食用蔬菜中硝酸盐含量不超过标准允许量,一般控制在432ppm以下。
三是“三废”等有害物质不超标,无公害蔬菜必须避免环境污染造成的危害,商品菜的“三废”和病原微生物等。
含量不超过标准允许量。
1.6本课题的意义
我们都知道饭桌上的菜肴十分丰富,可是我们想过没有,我们的土壤生病了,经过农业专家诊断结果表明,土壤得了初期绝症。
土壤绝症,它严重危害我们人类健康,如果我们不及时加以治疗,养育我们的土地就将失去生命。
从上世纪60年代开始,我们的农业生产开始引进化学农药和化学肥料,对农业丰收立下了汗马功劳。
可是由于长时间的使用大量的化学肥料和农药,原来健康的土壤却遭受严重的污染,致使我们的土壤酸性化严重,如浙江省金华市某乡从上世纪80年代的土壤监测
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