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Bienenfutter - Ernährungsökologie von Bienen in einer Welt im Wandel

Zu verstehen, wie anthropogene Faktoren Einfluss auf die Ernährungsökologie bedrohter Tierarten nimmt, stellt einen zentralen Ansatz dar, um Reaktionen auf Umweltveränderungen vorherzusagen und gefährdete Arten schützen zu können. Besonders für Bestäubungsinsekten wie Hummeln ist dieses Verständnis bedeutsam, da bei vielen dieser Arten große Rückgänge in ihren Beständen zu verzeichnen sind. Diese Entwicklung lässt sich womöglich zum Teil auf Mangel- und Fehlernährung zurückführen. Mithilfe dieser Forschungsarbeit möchten wir verstehen, wie die Ernährungsökologie von Bombus terrestris von Landnutzung und Infektionskrankheiten beeinflusst wird - Krankheiten sind ein zunehmendes Problem, da kommerzielle Imkerei die Verbreitung von Erregern begünstigt. Um dieses Verständnis zu erreichen, haben wir unsere Untersuchungen in drei Phasen eingeteilt. In der ersten Phase untersuchen wir die Interaktion von Aminosäuren und deren Einfluss auf B. terrestris’ Fitness und Nährstoffhaushalt. Dazu wenden wir eine hochmoderne Technik in der Ernährungsökologie an, das sogenannte ‘exome matching’. In diesem Verfahren lassen sich anhand von Sequenzdaten der individuelle Bedarf der Aminosäurezusammensetzung ableiten. Diese Erkenntnisse stellen eine Grundlage für unser Verständnis und die weitere Erforschung der Ernährungsökologie von Hummeln dar. Zudem wird in diesem Zuge das exome matching -Verfahren auf Hummeln optimiert. In Phase 2 werden wir uns der Frage widmen, in wie weit Aminosäuren mit den anderen beiden zentralen Nahrungskomponenten (Kohlenhydrate und Fette) interagieren und diese Interaktion Einfluss auf B. terrestris‘ Fitness und Immunität nimmt. Wir untersuchen die bevorzugte Nahrungszusammensetzung in gesunden Individuen und Hummeln, bei denen eine Immunantwort provoziert wurde. Dies wird uns durch die aussagekräftige Methode des ‚dietary mapping‘ ermöglicht, dem ‚Geometric Framework of Nutrition‘. Die Ergebnisse werden zeigen, wie sich die Aufnahme bestimmter Makronährstoffe auf die Fitness von Hummeln auswirkt und sich die Ansprüche an die Zusammensetzung der Nahrung durch eine Immunantwort verändern. In Phase 3 untersuchen wir, wie sich die unterschiedliche Zusammensetzung von Pollen in diversen landwirtschaftlichen Umgebungen auf das reale Nahrungssammelverhalten von Hummeln auswirkt. Dies gibt Aufschluss über den Einfluss von Landwirtschaft auf die Ernährung von Hummeln. Indem wir Daten aus dem Feld und Labor vereinen, können wir Schlüsse darüber ziehen, ob exome matching und Geometric Framework of Nutrition fundierte Vorhersagen über das Nahrungssammelverhalten von Hummeln in der Natur treffen können. Es soll gezeigt werden, wie Umweltveränderungen die Ernährungsökologie von Arten beeinflussen und so zu einer Beeinträchtigung von Ökosystemdienstleistungen wie der Bestäubung führen können. Das durch dieses Projekt generierte Wissen kann somit eingesetzt werden, um Bestäuberverluste zu reduzieren.

Umsatzraten und Herkunft von Lipiden in Ackerböden: Zeitlich aufgelöste strukturelle und isotopische Charakterisierung der Lipidfraktionen einer natürlich markierten Schwarzerde

Lipide haben wahrscheinlich große Bedeutung für die Stabilisierung organischer Substanz in Böden, sie wurden aber bisher mittels moderner strukturchemischer und isotopischer Methoden nur wenig untersucht. Durch die Kombination dieser Methoden sollen erstmals gleichzeitg Aussagen über Herkunft (Pflanzen, Bakterien, Pilze) und Umsatzraten (d13C) der Lipide auf molekularer Ebene ermöglichen. Der Nutzungswechsel von Roggen- (C3-) zu Mais-Monokultur (C4-Pflanze) markierte die zugeführte Biomasse strukturell und isotopisch. Die Nutzung von Rückstellproben ermöglicht eine über vier Jahrzehnte zeitlich aufgelöste Auswertung dieses landwirtschaftlichen Freilandversuchs. Die Lipide sollen mit einer Kombination moderner struktureller, spektroskopischer und isotopischer Analysetechniken der Bodenchemie, organischen Geochemie und Biochemie untersucht werden. Untersuchungen sollen an Gesamtböden und ausgewählten PartikelgrößenFraktionen erfolgen. Die Bodenlipide werden erstmalig über eine automatisierte sequentielle Flüssigkeitschromatographie in folgende Fraktionen getrennt: a) Aliphaten, b) Ketone/Alkohole, c) Fettsäuren, d) Aromaten, e) basische Lipide und f) hochpolare Biopolymere. Diese Fraktionen sollen anschließend strukturell identifiziert (13C NMR, GC-MS) und die Fraktionen a) bis c) gesamt- und komponentenspezifisch (GC-irmMS) d 13C-isotopisch charakterisiert werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Leben am Limit: Die Tiefe Biosphäre des West Antarktischen Kontinentalrandes

Die tiefe Biosphäre umfasst eine diverse aber nur wenig untersuchte Gemeinschaft aus Mikroorganismen in Sedimenten und Gesteinen. Mikrobiologische und geochemische Untersuchungen der letzten Jahrzehnte haben gezeigt, dass bakterielles und archeales Leben weit verbreitet ist in marinen Sedimenten und sich dort bis in Tiefen von mehreren Kilometern unter dem Ozeanboden erstreckt und noch in über hundert Millionen Jahre alten Ablagerungen überdauert. Bestimmungen von Zellzahlen und deren Extrapolation auf einen globalen Maßstab legen den Schluss nahe, dass die marine tiefe Biosphäre ein bedeutendes Reservoir an Kohlenstoff darstellt und durch ihren Stoffwechselreaktionen direkten Einfluss auf das Leben an der Erdoberfläche nimmt. Obwohl Mikroorganismen der tiefen Biosphäre somit vermutlich einen enormen Einfluss auf globale Stoffkreisläufe ausüben, ist vergleichsweise wenig über ihre Zusammensetzung und Aktivität mit zunehmender Sedimenttiefe und zwischen den unterschiedlichen Regionen der Weltmeere bekannt. Ein Bereich der Ozeane, für den zurzeit so gut wie keine Informationen hinsichtlich der Verbreitung und Zusammensetzung der tiefen Biosphäre vorliegt, ist der Kontinentalrand der Westantarktis. IODP Expedition 379 hat in dieser Region zwei kontinuierliche und überwiegend ungestörte Sedimentabfolgen von exzellenter Qualität erbohrt. Diese erlauben es erstmalig die tiefe Biosphäre in marinen Sedimenten der West Antarktis bis in eine Tiefe von ca. 800 m unter dem Meeresboden zu untersuchen. Änderungen im Porenwasserchemismus, wie das Aufzehren von Sulfat und das plötzliche Auftreten von Methan in einer Tiefe von ca. 670 Metern unter dem Meeresboden, liefen erste Hinweise auf die Existenz einer tiefen Biosphäre in dieser bis jetzt wenig untersuchten Region. Um die Gesellschaft an Mikroorganismen und die durch sie durchgeführten Prozesse qualitative und quantitative zu erfassen, wird in diesem Projekt ein Multiproxyansatz gewählt, der aus der Mengenbestimmung und Identifizierung von Verteilungsmustern von intakten polaren Lipiden, der Kohlenstoffisotopie leichter Kohelnwasserstoffe und direkten Zellzählungen besteht. Diese Untersuchungen werden durch komplementäre phylogenetischen Analysen und Kultivierungsexperimenten ergänzt. Ergebnisse der hier geplanten Untersuchungen werden damit neue Erkenntnisse hinsichtlich der Zusammensetzung und Verteilung der mikrobiellen Vergesellschaftung in einer Region unseres Planeten führen, welche mit Blick auf die tiefe Biosphäre komplettes Neuland darstellt.

Impact of urbanisation on the allergenicity of birch pollen grains

Evidence is compelling for a positive correlation between urbanisation and increment of allergic sensitisation and diseases. The reason for this association is not clear to date. Some data point to a pro-allergic effect of anthropogenic factors on susceptible individuals. Data analysing the impact of environmental - natural and anthropogenic - factors on the allergenicity of allergen carriers such as pollen grains are scarce, and if applicable only taken from in vitro experimental designs. This study will analyse one of the most common allergy inducers in northern Europe - the birch pollen. Under natural exposure conditions, birch pollen will be analysed with respect to their allergenicity. Within an interdisciplinary research team this study will evaluate the effect of natural (e.g. soil, climate, genetic background) and anthropogenic (e.g. traffic pollutants) factors on birch pollen in a holistic approach including analysis of allergen bioavailability, release of pollen associated lipid mediators from birch pollen grains, in vitro immunostimulatory activity and in vivo allergenic potential. These data collected in the time course of three years will significantly add to our understanding how urbanisation and climate change influence the allergenicity of birch pollen and will help us in the future to set up primary prevention studies.

SP1.1 Dynamische Anreicherungsprozesse von organischer Substanz in der SML

Der Oberflächenfilm (SML) ist die oberste dünne Schicht des Ozeans und Teil jeglicher Wechselwirkung zwischen Luft und Meer, wie Gasaustausch, atmosphärische Deposition und Aerosolemission. Die Anreicherung von organischer Materie (OM) in der SML modifiziert die Luft-Meer-Austauschprozesse, aber welche OM-Komponenten selektiv angereichert werden, sowie warum und wann sie dies tun, ist weitgehend unbekannt (Engel et al., 2017). Unsere bisherige Forschung hat gezeigt, dass Biopolymere aus photoautotropher Produktion wichtige Komponenten der SML sind und den Luft-Meer-Austausch beeinflussen, indem sie als Biotenside (Galgani et al., 2016; Engel et al., 2018) und als Quelle primärer organischer Aerosole (Trueblood et al., 2021) wirken. Die Motivation unseres Projektes ist es daher, die dynamischen Anreicherungsprozesse von OM in der SML aufzuklären und zu beschreiben, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Auflösung der OM-Quellen liegt. Mit unserem Modellierungsansatz ist es das Ziel, unser mechanistisches Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Wachstumsbedingungen des Planktons, der Produktion und der Freisetzung von Biomolekülen, einschließlich potentieller Tenside, und der Akkumulation von OM in der SML zu konsolidieren. Eine solche Modellentwicklung wird in hohem Maße von den Ergebnissen und Erkenntnissen der verschiedenen Teilprojekte des BASS-Konsortiums profitieren. Umgekehrt ist es unsere Motivation, ein Modell zu etablieren, das als Synthesewerkzeug für die Interpretation und Integration von Feld-, Mesokosmen- und Labormessungen der OM-Anreicherung in der SML anwendbar wird.Relevanz für die Forschungsgruppe BASS - SP1.1 wird die Quellen, die Menge und die biochemische Zusammensetzung von OM in der SML entschlüsseln und damit wichtige Informationen für alle BASS-Teilprojekte liefern. Der primäre Ursprung von OM im Oberflächenozean ist die photosynthetische Produktion und die wichtigsten biochemischen Komponenten von frisch produzierter OM, d.h. Kohlenhydrate, Aminosäuren und Lipide, unterliegen der mikrobiellen Verarbeitung (SP1.2) und Photoreaktionen innerhalb der SML (SP1.3, SP1.4) und füllen auch den Pool der gelösten organischen Substanz (DOM) auf (SP1.5). Die Modellentwicklung in SP1.1 stellt eine Verbindung zwischen der Produktion von OM und ihrer Anreicherung innerhalb der SML her und zielt darauf ab, die entsprechenden Auswirkungen auf den Luft-Meer-Gasaustausch (SP2.1) zu bestimmen, indem Änderungen des Impulsflusses auf den Ozeanoberflächenschichten (SP2.2) sowie des Auftriebs (SP2.3) berücksichtigt werden. Das vorgeschlagene SML-Submodell wird auf der Grundlage der Ergebnisse aus SP1.4 und SP2.3 verfeinert. Ergebnisse aus den Modellsensitivitätsanalysen werden ergänzende Informationen über oberflächenaktive Eigenschaften verschiedener OM Komponenten und deren Auswirkungen auf Luft-Meer-Austauschprozesse liefern, die innerhalb von BASS ausgewertet werden.

Untersuchung neuer, polarer Lipidsingale in Plankton Interaktionen

Etwa die Hälfte der weltweiten Primärproduktion erfolgt durch Phytoplankton und dessen Jäger-Beute-Interaktionen mit Zooplankton bilden die Grundlage der gesamten ozeanischen Nahrungskette. Die chemischen Signale, die diese Interaktionen vermitteln, sind bisher größtenteils unbekannt. Vor kurzem konnte die Arbeitsgruppe von Erik Selander erstmals eine Gruppe solcher chemischer Signale identifizieren, die Copepodamide. Copepodamide spielen eine entscheidende Rolle in der Interaktion von Ruderfußkebsen (Copepoda) als marine, zooplanktonische Räuber mit verschiedenen Phytoplanktonspezies, wie der Gattung Alexandrium, welche an der Entstehung der schädlichen Algenblüte beteiligt ist. Die vollständige Funktion von Copepodamiden und deren Wahrnehmung durch Phytoplankton ist jedoch noch weitestgehend unbekannt. Das geplante Forschungsprojekt konzentriert sich auf zwei Hauptziele. Das erste Ziel ist die Identifizierung weiterer, neuer Copepodamide und die Untersuchung spezifischer Copepodamidmuster in verschieden Copepodspezies. Für diesen Zweck ist die Anwendung eines breiten Spektrums chemischer Separations- und Detektionstechniken geplant. Das gastgebende Institut besitzt dazu eine einmalige Kombination aus Ausrüstung, Ausstattung und Wissen um dieses Projekt zu unterstützen und ermöglicht ein tiefgreifendes Training in chemischer Ökologie und NMR-Techniken. Das zweite Ziel ist die Identifikation von Copepodamid-Rezeptorproteinen in den Phytoplanktonspezies Alexandrium tamarense und Skeletonema marioni. Dazu soll zum einen in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Julia Kubanek (Georgia Tech, Atlanta, USA) eine Kombination aus zell-basierten Assays und Elektrophysiologie angewendet werden. Um diese Methoden zu erlernen, ist ein Besuch der Arbeitsgruppe von Julia Kubanek vorgesehen. Des Weiteren sollen Phagen-Display und Protein-Affinitäts-Chromatografie angewendet werden, um die Copepodamid-Rezeptorproteine sowie deren genomische Sequenz zu identifizieren.Die Jäger-Beute-Interaktionen zwischen Zooplankton und Phytoplankton sind von entscheidender Bedeutung für das ökologische Gleichgewicht der Ozeane. Vornehmlich werden diese Interaktionen durch chemische Signale reguliert. Die Identifizierung dieser Signale sowie der entsprechenden Rezeptoren liefert einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis planktonischer Interaktionen. Zudem hat das geplante Forschungsprojekt das Potential als ein Meilenstein bei der Entschlüsselung der einflussreichen, bisher jedoch unbekannter, chemischer Sprache der Ozeane zu dienen.

Biogeochemische Prozesse und Ozean/Atmosphäre- Austauschprozesse in marinen Oberflächenfilmen (BASS): Chemische und Photochemische Umsetzung Organischer Stoffe

Die Grenzfläche zwischen Ozean und Atmosphäre ist durch einen allgegenwärtigen, < 1 mm dicken marinen Oberflächenfilm, den sogenannten sea-surface microlayer (SML), charakterisiert. Der SML ist nicht nur direkter UV-Strahlung und atmosphärischen Oxidantien ausgesetzt, sondern zeichnet sich im Vergleich zum unterliegenden Wasser auch durch höhere Konzentrationen an organischen Stoffen aus. Bisher ist unklar, welche Bedeutung die dadurch bedingten SML-spezifischen abiotischen Prozesse für die Umsetzung und die Emission organischer Stoffe insgesamt haben und wie man diese Prozesse parametrisieren kann. In diesem Projekt, das eng mit anderen Projekten der interdisziplinären Forschungsgruppe â€ÌBiogeochemische Prozesse und Ozean/Atmosphäre- Austauschprozesse in marinen Oberflächenfilmen (BASS)â€Ì verbunden ist, sollen daher molekulare Details SML-spezifischer Reaktionen (Photochemie, heterogene Oxidation, Radikalchemie) genauer untersucht werden. Ziel ist es, Reaktionsprodukte und -geschwindigkeiten quantitativ zu erfassen und Unterschiede zwischen Reaktionen im SML und in der freien Wassersäule herauszuarbeiten. Basierend auf der Expertise der drei beteiligten Arbeitsgruppen im Bereich Photochemie, Reaktionskinetik, Laserspektroskopie, Analytik und theoretischer Modellierung, soll ein molekulares Verständnis ausgewählter Reaktionen und des Einflusses der komplexen SML-Reaktionsumgebung erreicht werden. Dazu sollen experimentelle Verfahren wie Schwingungs-Summenfrequenzerzeugung, hochempfindliche Chromatographie-Massenspektrometrie und gepulste Laserphotolyse-Langwegabsorption mit Methoden der Quantenchemie und Molekulardynamik kombiniert werden. Arbeitsschwerpunkte bilden die Oxidationskinetik von Halogen- bzw. Hydroxyl-Radikalreaktionen in der flüssigen Phase, die Ozonolyse von Fettsäure-Monoschichten und die durch Photosensibilisatoren verstärkte Bildung von reaktiven Radikalen bzw. Zersetzung von organischen Schichten. Neben wohldefinierten Labor-Modellsystemen werden auch natürliche Proben analysiert werden. Dabei stellt sich z.B. die Frage nach den Einflussfaktoren der während einer Algenblüte zunehmenden Bildung von oberflächenaktiven Stoffen im SML und der Bedeutung der durch die Sonne bedingten Photolyse auf die abiotische Umsetzung organischer Stoffe. Flankierend werden im Projekt auch die eingesetzten Untersuchungsmethoden weiterentwickelt; das beinhaltet sowohl die Ausarbeitung von Messprotokollen zur Quantifizierung bestimmter organischen Substanzklassen (z.B. Carbonyle und Kohlenhydrate) im SML, die Synthese und Charakterisierung von neuartigen oberflächenaktiven Photosensibilisatoren (z.B. Benzoyl-Benzoesäure-funktionalisierte Lipide) sowie die Entwicklung und Erprobung mehrstufiger Modellierungsverfahren zur theoretischen Beschreibung von Struktur-Reaktivitätsbeziehungen der Fettsäure-Ozonolyse (z.B. Beschreibung des Einflusses sterischer und elektronischer Effekte der organischen Matrix).

14C content of specific organic compounds in subsoils

Organic matter (OM) composition and dynamic in subsoils is thought to be significantly different from those in surface soils. This has been suggested by increasing apparent 14C ages of bulk soil OM with depth suggesting that the amount of fresh, more easily degradable components is declining. Compositional changes have been inferred from declining ä13C values and C/N ratios indicative for stronger OM transformation. Beside these bulk OM data more specific results on OM composition and preservation mechanisms are very limited but modelling studies and results from incubation experiments suggest the presence and mineralization of younger, 'reactive carbon pool in subsoils. Less refractory OM components may be protected against degradation by interaction with soil mineral particles and within aggregates as suggested by the very limited number of more specific OM analysis e.g., identification of organic compound in soil fractions. The objective of this project is to characterize the composition, transformation, stabilization and bioavailability of OM in subsurface horizons on the molecular level: 1) major sources and compositional changes with depth will be identified by analysis of different lipid compound classes in surface and subsoil horizons, 2) the origin and stabilization of 'reactive OM will be revealed by lipid distributions and 14C values of soil fractions and of selected plant-specific lipids, and 3) organic substrates metabolized by microbial communities in subsoils are identified by distributional and 14C analysis of microbial membrane lipids. Besides detailed analyses of three soil profiles at the subsoil observatory site (Grinderwald), information on regional variability will be gained from analyses of soil profiles at sites with different parent material.

Assoziationen zwischen der internen Exposition von perfluorierten Substanzen (PFAS) und dem Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Typ 2 Diabetes in der EPIC-Potsdam Studie

Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) sind eine komplexe Gruppe von künstlich hergestellten Chemikalien mit einzigartigen wasser- und ölabweisenden Eigenschaften. Sie werden seit Jahrzehnten für die Herstellung zahlreicher Verbraucherprodukte verwendet, z. B. für antihaftbeschichtete Kochgeschirre, atmungsaktive Textilien oder Lebensmittelverpackungen. Die Aufnahme über Lebensmittel und Trinkwasser ist der Hauptexpositionsweg des Menschen. Aufgrund der beobachteten Assoziationen zwischen der Konzentration von PFAS im Blut und den Blutfettwerten (besonders LDL-Cholesterin) wird vermutet, dass PFAS eine Rolle für das Risiko von Herz-Kreislauf- Erkrankungen spielen könnten. Auch der Zusammenhang mit dem Risiko von Typ 2 Diabetes wird diskutiert. Der Bekanntheitsgrad von PFAS in der Öffentlichkeit und ihre Untersuchung in wissenschaftlichen Studien hat erst in den letzten Jahren zugenommen. Aus diesem Grund gibt es bis heute nur sehr wenige Studien, die den Zusammenhang zwischen PFAS und der Inzidenz von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Typ 2 Diabetes untersucht haben. Daher hat diese Studie zum Ziel, die Zusammenhänge zwischen den Baseline-Konzentrationen von PFOS/PFOA und anderen perfluorierten Verbindungen im Blut und dem Risiko für Entstehung eines Herzinfarkts, Schlaganfalls und / oder einer Herzinsuffizienz und Typ 2 Diabetes während der Nachbeobachtung in einer Fall-Kohortenstudie der European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition (EPIC)-Potsdam Studie zu untersuchen. Zudem sollen Assoziationen im Querschnitt zwischen Konzentrationen von PFOS, PFOA und anderen perfluorierten Verbindungen im Blut und Biomarkern des Lipidmetablismus (Gesamtcholesterin, LDL-Cholesterin, HDL-Cholesterin, Triglyceride), des Glucosemetabolismus (Glucose und HbA1c), des Leberstoffwechsels (GGT, GPT), der Harnsäure und des hsCRP in der repräsentativen Subkohorte untersucht werden. Zudem sollen auch die Zusammenhänge zwischen PFAS und bestimmten Lebensmitteln oder Lebensmittelgruppen (z.B. Fleisch, Fisch) zu untersuchen werden.

Weg des Kohlenstoffs und Regulation des Saeurestoffwechsels bei Sukkulenten (Crassulaceen-Saeurestoffwechsel)

Sukkulenten, die ueber den Crassulaceen-Saeurestoffwechsel (CAM) verfuegen, vermoegen in der Nacht CO2 aus der Atmosphaere zu binden und dieses in Form von Aepfelsaeure zu speichern. Am folgenden Tag wird die Aepfelsaeure decarboxyliert und das dabei entstehende CO2 ueber den Calvin-Zyklus der Photosynthese zugefuehrt. Diese Form des Kohlenstoffgewinns ermoeglicht einen besonders sparsamen Wasserhaushalt. Es handelt sich also um eine oekologische Anpassung an wasserarme Standorte. In dem vom hier vorliegenden Bericht abgedeckten Zeitraum wurden besonders folgende Teilaspekte des CAM erforscht: 1. Charakterisierung der PEP-Carboxylase, des Schluesselenzyms des CAM und Untersuchung seiner Regulierbarkeit in vivo und in vitro. 2. Vergleich verschiedener Sukkulententypen und verschiedener Organe bzw. Gewebe einer Pflanze hinsichtlich ihrer Faehigkeit CAM durchzufuehren oder nicht. Erkenntnisziel: Erforschung der Voraussetzungen fuer das Zustandekommen des CAM bei Pflanzen. 3. Untersuchung des Weges des Kohlenstoffs im CAM. Besonders untersucht wurde das Problem, ob in den Plastoglobuli der Chloroplasten gespeicherte Lipide im CAM umgesetzt werden.

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