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출처 : 생물학연구정보센터(BRIC)

제조된 나노입자가 식물에 미치는 영향: 흡수, 이동, 축적 및 식물 독성

 최유진 / KAIST 생명화학공학과

[목 차]

1. 서론
2. 식물 내에서 나노입자의 흡수, 이동 및 거동
3. 나노입자의 독성이 생물의 수명주기에 미치는 영향에 관한 연구
 3.1 형태해부학적 기초에 근거한 식물 독성
 3.2 물리학적 기초에 근거한 식물 독성
 3.3 생물화학적 기초에 근거한 식물 독성
 3.4 유전 및 분자생물학적 기초에 근거한 식물 독성
4. 본질적인 식물의 해독메커니즘과 나노입자의 독성
5. 나노입자가 식물에 미치는 독성에 대한 결론과 향후 전망

[요약문]

나노미터 수준의 물질의 제어 및 특성에 관한 그들의 전례 없는 능력은 나노물질의 막대한 사용을 야기하였다. 나노기술의 거대한 팽창은 소비자 및 산업 제품에도 적용되며, 과학계에서는 이들의 위험성에 대하여 우려를 보내고 있다. 과량의 나노물질의 생물학적 이용가능성(bioavailability)은 궁극적으로 생태계와 인간의 건강을 위협하게 된다. 지난 몇 년 동안 나노 독성학 분야에서는 나노입자의 부정적인 영향 및 잠재적인 위험성을 보고하고 있으며, 섬유질과 비섬유질 나노입자의 독성에 대한 인식과 식물과의 상호작용을 통한 나노물질의 흡수, 이동, 축적에 관한 현상들을 이해하고자 하였다. 본 리뷰에서는 식물의 형태학적, 생리학적, 생화학적 및 분자적 특성에 대한 나노 물질의 흡수, 이동 및 축적과 식물 독성에 대한 연구들을 요약하고 있다. 이 외에도, 식물 세포 또는 식물 내에서의 나노 물질 축적 현상과 같은 식물에서의 내부 독성 해독 메커니즘을 이해하는데 도움을 준다.

1. 서론

 나노기술은 암 치료, 선택적 약물전달, 바이오의약, 폐수처리, 화장품 산업, 전자 및 바이오 센서 분야에서 광범위하게 응용되는 과학의 한 분야이다. 적어도 1차원이 100 nm 이하인 크기를 가지는 제조된 나노입자들은 주목할만한 특징과 응용으로 인하여 최근 다양한 경제 분야에서 상당한 관심을 받았다. 나노기술 분야의 전 세계적인 투자는 증가하는 추세이며 2005년에 약 100억 달러에 달했고 2015년까지 나노입자의 생산량이 연간 1조 달러를 초과할 것으로 전망 되었다. 제조된 나노입자는 담수, 대기, 토양 등과 같은 환경의 다양한 부분으로 영향이 미칠 수 있는데, 그들의 매립지, 하수 슬러지 및 합성 과정에서 나오는 폐수와 같은 취급 과정 또는 간접적인 방법을 통하여 노출된다. 2014년에 Cornelis 연구진은 제조된 나노입자가 토양오염에 있어 가장 주요하고 심각한 오염원이 될 수 있다는 점을 증명하였다. 제조된 나노입자들은 식물뿐만 아니라 토양 내의 각종 유기체들에게도 독성을 나타낼 수 있으며, 특히 식물에서 흡수된 이후에는 나노입자들이 식물 내부의 다른 부분으로 운반되어 식물체는 심각한 손상을 받는다. 또한 나노입자는 대기 오염을 일으키는 주요한 원인이 될 수 있다. 나노입자의 크기가 너무 작기 때문에, 환경 내에 도달한 이후 다른 구성요소들과 반응하여(광분해 및 산화) 궁극적으로 식물에 유해한 독성을 가진 부산물들을 방출하게 된다.

대다수의 나노입자는 특정 농도에 도달하면 식물에 독성을 일으키는데, 이는 형태학적, 생리학적, 생화학적 및 유전적 구성을 변화시켜 작물의 생산성에 영향을 미치게 된다. 많은 연구들이 제조된 나노입자들은 활성산소의 생성으로 식물에 독성을 일으킨다고 보고되고 있는데, 결국 식물에게 산화 스트레스(oxidative stress), 지질 과산화(lipid peroxidation) 및 단백질과 DNA의 손상을 일으킨다. 식물 내에 나노입자가 축적된 후에는 씨앗의 발아율 감소, 뿌리와 싹의 길이의 감소, 염색질 응축의 강화, DNA 손상의 증가, 지질 과산화 및 유전자의 스트레스 증가 및 광합성과 생기가 감소되는 영향이 나타난다(그림 1). 그러나, 식물들은 나노입자의 독성을 포함하는 스트레스들을 극복하기 위한 자체적인 방어 전략을 가지고 있다. 식물들은 스트레스에 노출될 경우 다양한 효소 및 비효소 방어 시스템을 활성화할 수 있다. 그러나 스트레스 요인에 대한 한계치를 넘어서게 되면, 내부 해독 메커니즘은 독성을 극복하지 못하고 결국 식물 세포들에 있어서 세포자살(apoptosis)을 유도하게 된다. 2009년에 Lin 연구진은 대부분의 재조된 나노입자들은 환경 내에 노출될 경우, 개별적인 나노입자 형태보다 응집체의 형태로 존재한다고 결론 내렸다. 따라서, 앞으로는 나노입자의 생물축적 및 그들의 거동 과정을 연구하는 연구자들은 나노입자의 개별적 형태보다는 응집된 형태로써 초점을 맞추어야 할 것이다. 모든 유형의 나노입자들의 급증하는 생산량을 감안할 때, 이들이 환경 중으로 배출될 가능성과 생태계 건강에 미칠 영향은 규제 당국에 의해 특별하게 해결되어야 할 필요성이 증가하고 있다.

그림 1. 제조된 나노입자와 식물 간의 접촉 및 신진대사 과정에서의 상호작용을 나타낸 모식도

2. 식물 내에서 나노입자의 흡수, 이동 및 거동

 대부분의 제조된 나노입자와 식물 독성에 관련된 연구들은 식물의 발아율과 축적에 초점이 맞추어져 있었다. 제조된 나노입자의 독성에 대하여 가정 흔하게 알려진 증상은 아포플라스틱 흐름과 기공의 막힘으로 인해 영양분 흡수의 감소, 광합성 과정에서 수분 전달 감소, 활성산소의 생성 및 DNA 구조의 손상이 나타난다. 식물에 제조된 나노입자들이 노출되면, 나노입자는 식물 표피의 세포벽과 세포막을 통하여 식물의 혈관다발로 흡수되며, 이는 결국 잎으로 옮겨진다(그림 2). 그러나 손상되지 않은 식물의 세포막을 통과하기 위하여, 제조된 나노입자들은 세포막의 기공을 통하여 흡수되어 이동하는데 이는 나노입자의 식물 내 흡수는 입자의 크기의 특이성에 기인하게 된다. 목질부(Xylem)의 경우 나노입자의 식물 내 분포 및 이동에 있어 가장 중요한 매개체 역할을 한다. 세포벽은 물 및 다른 분자들이 통과하게 되는 다당류로 이루어진 섬유 매트릭스의 다공성 연결고리이다. 2012년 Wang 연구진은 목질부와 식물의 체관부를 매개로 하여 20~40 나노미터 크기의 산화구리 나노입자에 대해 Zea mays 이내로 흡수, 이동 및 분포를 연구하였는데, 목질부를 통해 뿌리부터 줄기까지의 역전사 과정으로 나노입자들이 이동되는 사실을 보여주었다. 나노입자들이 식물로 흡수되는 일반적인 메커니즘은 신호 전달, 재순환 및 원형질막의 조절과 같은 능동 수송 메커니즘으로 알려져 있다(그림 1 및 2). 식물에서는 나노입자의 흡수 경로를 클라트린(chlathrin) 의존적 경로와 클라트린 독립적 경로로 나눈다. 클라트린 의존적 경로는 원형질 막에 접히거나 피복된 구조가 형성되어 나중에 클라트린으로 코팅된 구조의 소포를 생성하게 된다. 또한 클라트린 독립적 경로의 경우 식균작용, 포낭(caveolae) 및 유체상 세포 내 섭취(endocytosis)와 같은 3가지 경로를 통하여 발생하게 된다.

그림 2와 같이 일부 시험관 내 연구에 따르면, 분리된 원형질체의 경우 제조된 나노입자의 식물 세포로 흡수는 세포 내 섭취와 같은 경로를 따르게 된다. 2008년 Onelli 연구진은 Nicotiana tabaccum 식물에서 클라트린 의존적 경로와 클라트린 독립적 경로에 대하여 금 나노입자가 흡수되어 이동하는 현상을 보고하였다. 또한 2010년에 한 보고에 따르면, Catharanthus roseus 식물에서 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)는 별도로 세포 내 흡입에 의해 만들어지는 막 주머니인 엔도좀(endosome)을 이용하는 경로로 흡수됨을 알아내었다. 또 다른 많은 연구에서, 식물의 세포벽은 나노입자들이 기공을 통과하도록 하는 반투과 장벽으로 작용한다는 사실이 관찰되었다. 나노입자의 식물 내 흡수는 세포의 매질에 따라 달라지며, 유체상 세포 내 섭취의 경우 액푸에서 형성되는 소포를 통하여 식물체 세포벽 주변 전체인 아포플라스트(apoloast)에서 액포가 형성된다.

최근에는 제조된 나노입자들이 식물 내로 흡수, 이동 및 응집에 관련된 동역학에 관련 연구들이 이루어 지고 있다. 이를 통하여 나노입자 및 이온들과 관련된 이해를 돕고자 하는 많은 진전이 있었다. 또한, 식물에 흡수 및 이동에 관여하는 제조된 나노입자들은 그들의 모양, 크기, 및 구성 성분에 따라 다르게 나타남이 보고되었다.

그림 2. 제조된 나노입자의 식물 내 이동 및 흡수의 가능한 경로를 나타낸 모델

3. 제조된 나노입자의 독성과 식물의 생명주기에 미치는 영향에 대한 연구

 제조된 나노입자가 식물의 독성에 미치는 영향에 대한 대부분의 연구에서는 제조된 나노입자가 식물의 발아율과 식물 내에 축적에 미치는 영향에 대한 연구가 이루어졌다. 제조된 나노입자가 식물에 미치는 가장 흔한 증상은 식물체 세포벽 주변 전체인 아포플라틱 흐름의 기공과 장벽을 막음으로써, 영양분의 섭취를 감소, 수력 전달의 감소, 광합성과정의 감소, 활성 산소종들의 생성 및 DNA 구조의 손상이다.

3.1 형태해부학적 기초에 근거한 식물 독성

 제조된 나노입자는 식물과 상호작용을 하게 되는데, 나노입자의 농도에 따라 여러 가지 형태해부학적 변화를 일으킨다. 나노입자의 크기, 반응성, 화학 구조 및 표면 작용기에 따라 영향을 미칠 수 있으며 이와 같이 제조된 나노입자들이 식물에게 독성을 나타낸다는 여러 보고들이 있다. 2012년 Suriyaprabha 연구진들은 Zea mays의 수경 재배에서 실리카 나노입자들이 발아율과 성장률에 있어 유의미한 효과를 나타내었다고 보고하였다. 이들은 또한, 잠재적인 성장 능력과 식물 내 축적, 잎의 표면적과 같이 식물에서 제조된 나노입자들의 독성을 예측하기 위한 매개 변수들을 표시 하였다. 2014년에 위 연구진들은 마찬가지로 Na2SiO3가 식물의 독성에 미치는 영향에 대한 연구를 발표하였다. 이와 유사하게, 2012년 Aubert 연구진은 팔면체의 몰리브덴 나노입자들이 식물독성을 나타내며, 식물 내로 흡수되어 성장을 저해한다고 보고하였다. 식물의 성장 억제에 대한 나노입자의 형태학적 영향에 대한 주요 연구 결과들을 표 1과 같이 정리하였다.

3.2 생리학적 기초에 근거한 식물 독성

 나노입자들은 식물의 노화, 개화, 결실, 탈락, 휴면 등의 시기에 영향을 미치므로 식물의 전반적인 성장과 발달을 저해할 수 있다. 표 1에는 이와 관련된 문헌들이 정리 되어있다. 몇 가지 예시를 살펴보면, 2010년 Cabiscol 연구진은 제조된 나노입자가 활성 산소종들을 생성하여 지질의 과산화에 영향을 줄 수 있다고 보고하였다. 이것은 막의 유동성과 세포막의 침투성에 영향을 미칠 수 있으며 결과적으로 영양소의 획득에 크게 영향을 미치게 된다. 2009년 Asli과 Neumann 연구진은 이산화 티타늄 나노입자와 벤토나이트 나노입자가 Zea mays의 증산작용을 방해하며 수분의 전도율을 감소시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 또한 2012년 Musante와 White 연구진은 Cucurbita pepo에 은 나노입자들이 노출될 경우 증산율이 감소하는 결과를 관찰하였다. 2009년 Asli와 Neumann 연구진은 Zea mays에 30 mg/L 및 100 mg/L 농도의 이산화 티타늄 나노입자가 노출될 경우 변화하는 증산율을 관찰하여 나노입자가 나타내는 독성을 보고하였다. 또한 2014년 Mukherjee 연구진은 125 mg/L, 250 mg/L, 500 mg/L 농도의 산화아연 나노입자들이 녹색완두콩(Pisum sativum)의 엽록소 함량을 감소시킨다는 사실을 입증하였다. 이와 유사하게, 2013년 Ma 연구진들은 이산화 세륨(CeO2) 나노입자는 각각 1000 ppm 및 2000 ppm 농도에 노출된 식물의 경우 엽록소의 생성이 각각 60% 및 85% 감소하는 것을 확인하였다.

표 1. 나노입자가 식물에 미치는 형태해부학적 영향

3.3 생화학적 기초에 근거한 식물 독성

 식물은 생존을 위한 필수적인 에너지 생산을 위해 산소를 이용한다. 일반적으로 기저상태의 산소는 물과 활성 산소종으로 환원된다. 나노입자에 의해 야기되는 독성학적 메커니즘은 대부분 지질과산화, 요오드화 프로피디아 형광분석, 전해질 누출 테스트 등을 통해 일반적으로 측정된다. 활성 산소종들은 전자 전달 반응의 작은 단계들 또는 산소의 에너지 전달 메커니즘을 통해서 직접 생성 된다. 활성 산소종의 다른 유형은 식물세포의 세포 소기관에서 다양한 작용방식을 통해 서로 다른 영향을 나타낸다. 예를 들어 O2?-의 경우에서는 단백질의 Fe-S 복합체 및 질산 등 구조가 수소결합을 갖는 화합물과만 반응한다. 이들은 많은 광?산화 반응, 전자 전달 연쇄 반응, 과산화물, 글리옥소말(glyoxisomal) 광호흡, 엽록체 및 원형질막의 반응에 의해 형성된다. 특히 과산화 라디칼(O2?-)의 주된 제거 시스템은 SOD (superoxide dismutase)라 불리는 효소이다.

3.4 유전 및 분자생물학적 기초에 근거한 식물 독성

 식물에 제조된 나노입자에 대한 유입 시스템은 특정 세포 소기관의 유전자나 DNA를 표적으로 하여 식물 내에 유입되기 때문에 똑똑한 전달 시스템으로 간주된다. 나노입자는 식물 내로 다양한 수송통로를 통하여 유입 될 수 있다. 예를 들면, 실리콘의 수송에 관여하는 Lsi1, Lis2 및 LSi6 유전자들이 Oryza sativa의 뿌리 부분에서 발견되었다. 금속 나노입자가 세포 안으로 들어가게 되면, 거대한 분자와의 상호작용을 일으키게 된다. 2014년 Moreno-Olivas 연구진에 따르면, 이산화 티타늄 나노입자는 Cucurbita pepo에 영향을 주며, 게놈 DNA에 손상을 일으킨다는 사실을 밝혔다. 지금까지 혈관 식물(vascular plants)에 대하여 나노입자들이 식물 독성을 일으키는 분자생물학적인 기초에 근거한 연구는 알려지지 않았다. 그러나 유전체학적 분석은 고등식물에서 나노입자에 의해 유도된 독성과 관련하여 유전자의 상향 및 하향 조절 사이의 연관성에 대한 유익한 연구들이 제시 되었다. 2013년 Yan 연구진은 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)에 노출된 옥수수의 경우, 옥수수의 뿌리 조직에서 RTH1 및 RTH3 유전자의 억제 조절을 발견하였으며, SLR1과 RTCS 유전자들은 상향 조절됨을 알아내었다.

4. 식물 고유의 해독 메커니즘과 제조된 나노입자의 독성에 관한 비교

 위에서 설명한 바와 같이 식물에 제조된 나노입자가 노출될 경우 세포의 ROS 생성의 증거는 명확하지만, 이와 같은 나노 물질들이 세포의 부분들과 어떻게 상호작용하는지에 대한 추측에 의문을 갖는다. Yin 연구진은 2012년에 세포 시스템 내에서 TiO2 나노입자의 광세포 독성을 입증하는 연구를 수행하였으며, 이에 대한 독성은 ROS에 대해 유도되었다. 생성된 ROS 라디칼들은 분자들의 신호로 작용하여 자유라디칼에 의해 야기되는 독성을 줄이기 위하여 식물 항산화 방어 메커니즘이 활성화 된다. 식물의 항산화 방어 메커니즘은 superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), ascorbate peroxidase (APX), guaiacol peroxidase (GPX), dehydroascorbate reductase (DHAR) and glutathione reductase (GR) 및 비효소 산화방지제(non-enzymatic antioxidant)와 같은 ascorbate, glutathione, thiols, phenolics 효소들이 모두 사용된다. 이들 중에서도, thiols (GSSG or GSH)과 아스코르베이트는 가장 중요한 저분자량을 가지는 항산화제이다. CAT와 GPX는 모두 ROS와 퍼옥시 라디칼(peroxy radicals)를 제거하는 중요한 역할을 하며, SOD는 슈퍼 옥사이드(superoxide) 음이온이 과산화수소로 전환되는 과정을 촉매한다.

APX, DHAR, 및 GR과 같은 효소는 식물의 ROS 또는 산화 상태의 과잉 생산을 제어하는 아스코르베이트-글루타티온 순환(AsA-GSH 사이클)에서 복잡한 산화 환원 항상성에 사용된다. 나노 물질에 의해 활성산소종이 생성 되는 경우, APX는 SOD에 의해 합성 된 H2O2를 H2O 분자로 환원시킨다. GR에 의해 생성된 환원된 형태의 글루타티온은 DHAR이 아스코르베이트를 재생산 하기 위하여 생성되게 된다. 2013년 Wei와 Wang 연구진은 식물에서 나노입자에 의해 유도된 산화 스트레스에 대한 항산화 성능을 입증하였다. 저자들은 항산화 효소들과 같이 다양한 나노입자에 의해 활성화될 수 있음을 설명하였다. 특히, nCeO2, nFe3O4 및 nCo3O4 나노입자의 경우 CAT를 활성화 시키며, nCeO2, nFe3O4, nCo3O4, nMnO2, nCuO, 및 nAu 는 GPX를 활성화 시키며 nCeO2, nPt, 및 플러린(fullerene)은 SOD를 활성화하였다. 나노입자들이 항산화 효소의 활동에 미치는 영향에 대한 많은 연구들이 진행되고 있지만, 아직까지 나노입자들의 화학적인 특성과 연관된 증거는 없다. 실제로 연구결과에 따르면 나노입자들이 항산화 효소들의 메커니즘에 불규칙적 연관성들을 나타내는 활동을 보이고 있었다. 예를 들면 2008년 Lei 연구 진은 시금치에 있어 SOD, CAT, APX, 및 GPX의 활성을 향상시킴이 입증되었다. 유사하게, 2012년 Song 연구진에 따르면, L. minor에서도 GPX, SOD 및 CAT의 활동이 향상됨이 보고되었다. 이와 반대로, 2011년 Foltete 연구진은 V. faba에 있어서 나노입자는 GR과 APX의 활성이 감소됨을 밝혔다. 따라서 다양한 효소에 대한 긍정적 또는 부정적인 효과를 입증하는 것이 어려워졌다. 이전의 연구에 따르면, 나노입자들의 종류, 특성, 농도 및 노출되는 환경 등이 식물에 있어서 그들의 항산화 방어 기작에 대한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 2014년 Majumdar 연구진은 CeO2 나노입자가 Phaseolus vulgaris에 미치는 영향을 연구하였으며, CeO2 나노입자들은 항산화 작용기작들을 방해함으로써 식물에 독성을 나타냄을 밝혔다. 따라서 나노입자와 식물간의 독성 에 있어 항산화 효소 시스템과의 관계는 아직 분명하지 않으며, 이 주제는 더 많은 탐구가 필요한 실정이다. 2015년에 Chen 연구진은 쌀의 모종에서 나노입자의 산화 질소가 개량되어 독성을 나타낸다고 보고되었다. 마찬가지로, 2015년 Amooaghaie 연구진은 Brassica nigra 식물에서 헤마틴과 나트륨 푸시드가 은 나노입자 및 니트로 은 프루시드 스트레스 조건하에 종자 발아율의 조절에 있어 중요한 역할을 한다고 보고하였다. 이와 같이 여전히 많은 연구들이 나노입자의 독성을 증명하는 중요한 연구들이 필요한 실정이다.

5. 나노입자가 식물에 미치는 독성에 대한 결론과 향후 전망

 앞의 설명과 같이, 식물과 금속성 나노입자들 사이의 상호작용은 매우 복잡하며, 나노물질의 형태, 크기, 표면특징, 결정화학 및 노출 농도에 따라 복잡한 상호작용을 나타내고 있다. 다수의 나노물질들이 식물에 독성을 미치지만, 다른 성장인자들의 조절을 유도하여 토마토에 있어 라이코펜 함량 증가와 같은 긍정적인 측면으로써 나노비료로 농업 분야에 응용이 가능할 것이다. 나노입자의 독성은 식물에 있어 생리적, 생화학적 및 분자 수준을 포함하는 모든 부분에 영향을 미치지만, 긍정적인 영향으로는 성장 촉진, 광합성 수율, 과일 및 꽃 수확량의 촉진과 같은 부분도 나타났다. 최근 나노독성학에 중점을 둔 연구진들은 나노입자들이 식물 세포 내에 침투하여 각기 다른 부분에 분산되어 어떻게 성장이나 수확량에 영향을 주는지에 대하여 연구하고 있으나, 관련된 작용에 대한 자세한 부분은 아직 밝혀지지 않았다. 예를 들어, 많은 보고들에 따라 나노입자의 상향운동과 하향운동을 통해 식물 내에 다른 부분으로 이동이 가능할 수 있지만, 이들 나노입자가 일부 수송체 및 채널들을 사용하는지 여부에 관계없이 어떻게 식물 세포막을 통과하는지 또는 그들이 전원형질(symplasitc) 경로로 이동할 때 그들이 어떻게 내피세포의 카스파리대(casparian strip)를 통과하는지에 대한 해답은 아직 얻지 못하였다. 반면, 많은 연구들이 나노물질이 식물에 노출됨에 따라 항산화 효소의 활성 변화에 대한 연구들이 보고되었지만, 나노입자와 활성산소종들 사이의 신호 전달 경로에 대한 자세한 원리는 밝혀지지 않았다. 마찬가지로 일부의 전사체학(tranomic) 연구들은 일반적으로 스트레스, 수분 또는 영양 균형에 대한 내용을 포함하지만 나노입자들과 유전자들 사이에 정확한 관계에 대한 이해는 부족하다. 추후의 연구에 있어서는 이러한 남아있는 질문들이 나노입자가 식물 독성에 미치는 종합적인 영향들을 이해하기 위하여 초점을 맞추어 진행되어야 할 것이다.

대부분의 기존 보고된 연구들은 수경법 설치 또는 환경 조건들을 다양하게 반영하지 않는 종자 발아 반응과 관련되어 수행되어 왔다. 이러한 조사에 있어, 작물종에서 뿌리줄기, 잎 및 과일을 가로지르는 나노입자의 이동성이 지적됨에 따라 나노입자들이 상위단계의 영양수준으로 이동할 가능성이 있다. 따라서 생태계에서 서로 다른 영양 단계를 통해 나노물질들의 이동을 설명하며, 생태계에 대한 전반적인 영향을 잘 설명할 수 있는 현장 기반의 생활 주기 실험이 필히 요구되는 바이다.

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