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Documentation of the WALDATEM-2003 Experiment April, 28th to August, 03rd 2003 (2004)

Christoph Thomas Johannes Ruppert Johannes Lüers Joel Schröter Jens-Christopher Mayer Theresa Bertolini

no abstract

Qualitätsbegutachtung komplexer mikrometeorologischer Messstationen im Rahmen des VERTIKO projects (2004)

Matthias Göckede Matthias Mauder Thomas Foken

keine Zusammenfassung

Documentation and Instruction Manual of the Eddy Covariance Software Package TK2 (2004)

Matthias Mauder Thomas Foken

no abstract

Freisetzung und Transport von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen aus / in kontaminiertem Bodenmaterial:Säulenversuche und Lysimeterstudie (2004)

Florian Storck

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) stellen ein besonderes Risiko für Mensch und Umwelt dar. Auf zahlreichen Flächen, vor allem ehemaligen Industriestandorten wie Gas- und Teerwerken, finden sich mit PAK kontaminierte Böden. Mit Hilfe von Säulen- und Lysimeterversuchen wird in dieser Arbeit der Einfluß der Temperatur sowie Fließgeschwindigkeit und Ionenstärke der Perkolationslösung auf die Freisetzung und den Transport von PAK unter wassergesättigten Bedingungen untersucht. Untersuchungsmaterial ist ein sandig-lehmiger Schluff, der mit Mineralöl und PAK belastet ist. In ihrem grundsätzlichen Aufbau entsprechen die Säulenversuche den Anforderungen der Vornorm prEN 14405 [CEN, 2002] und den Entwürfen DIN V 19736:2001-11 [DIN, 2001] sowie ISO/TC190WG6 [ISO, 2001]. Säulenexperimente wurden bei 15 und 25 °C mit zwei unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten und Flußunterbrechungen zur Identifizierung ratenlimierter Freisetzung durchgeführt. Um den Einfluß der Ionenstärke zu prüfen, wurde mit NaClO4-Lösung (0,02 mol/L, stellvertretend für eine Bodenlösung) und entsalztem Wasser (nach den Vorschriften der Normenentwürfe bzw. stellvertretend für Regenwasser) perkoliert. Die Lysimeterstudie stand unter natürlichem Temperaturregime des Versuchsortes Bayreuth. Von sonstigen atmosphärischen Einflüssen abgeschirmt, wurde das Lysimeter mit den gleichen Perkolationslösungen, die für die Säulenversuche Verwendung fanden, künstlich beregnet. Als bedeutsam für PAK-Transport und -Freisetzung erwies sich die Temperaturerhöhung um 10 °C. Bei hohen Fließgeschwindigkeiten stiegen die Konzentration im Eluat und die Quellstärke toxischer und cancerogener PAK um bis zu 500 % an. Damit erweist sich die in den Normentwürfen festgelegte Temperaturspanne für Säulenexperimente als zu groß. Noch weit stärker wirkt sich der Wechsel der Perkolationslösungen aus. Perkolation mit entsalztem Wasser führte bei hohen Fließgeschwindigkeiten, wie sie etwa bei Starkregenereignissen zu erwarten sind, zu einem Anstieg der Kolloidfreisetzung und der Eluatkonzentration und Quellstärke aller betrachteten PAK. Hervorzuheben ist hier die Zunahme von cancerogenem und für Wasserorganismen hochtoxischem BaPYR und Bbjk-FLA um den Faktor 400 bei hoher Fließgeschwindigkeit. Generell scheint sich mit höherer Fließgeschwindigkeit auch die Quellstärke zu erhöhen. Ergebnisse des Lysimeterversuches und der Säulenexperimente sprechen dafür, daß sich unter den gewählten experimentellen Bedingungen der PAK-Austrag fast ausschließlich auf Kolloide bzw. Partikel mit einem Durchmesser größer 0,7 Mikrometer beschränkt und DOC als Lösungsvermittler eine geringe Rolle spielt. Ratenlimitierte Freisetzung konnte in den Säulenexperimenten für DOC, nicht jedoch für PAK nachgewiesen werden.

Response to the „Comment on ’Geoarchaeological and chronometrical evidence …’ ” by J.C. Carracedo et al. (2004)

Ludwig Zöller Hans von Suchodoletz Henrik Blanchard Dominik Faust Ulrich Hambach

This paper is a reply to the comments made by Carracedo et al. (Quaternary Science Reviews 23, 2045-2049) to the original paper by Zöller, L., Suchodoletz, H.von & N. Küster (2003): Geoarchaeological and chronometrical evidence of early human occupation on Lanzarote (Canary Islands), Quaternary Science Reviews 22, 1299-1307. The reply copes with comments concerning chronometrical dating, the origin of investigated material and geomorphologic and geoarchaeologic problems.

Die Spur der Glasperlen. Akteure, Strukturen und Wandel im europäisch-ostafrikanischen Handel mit Glasperlen (2004)

Ulf Vierke

In seiner 2004 eingereichten Dissertation folgt Ulf Vierke der Spur der Glasperlen von ihren europäischen Produktionsorten im oberfränkischen Fichtelgebirge und im böhmischen Isergebirge bis hin zu den Maasai in Ostafrika. Eine Route, die die Glasperlen sogar – jetzt zu Souvenirs verarbeitet – wieder nach Europa zurückführt. Es sind aber keineswegs die Glasperlen selbst, die im Zentrum der Untersuchung stehen, sondern vielmehr die Akteure, die mit diesen umgehen: die Perlenmacher in handwerklichen Betrieben etwa im Fichtelgebirge, die Arbeiter in den grossen Perlenindustrien Böhmens, die Händler in Europa, Indien und Afrika, die Frauen, die in Ostafrika Perlen zu Schmuck verarbeiten, und diejenigen, die letztlich diesen Schmuck tragen. Der Focus der Arbeit liegt auf dem Handeln der Menschen und auf der Vitalität gegenwärtiger Prozesse. Aneignung und Übereignung sind zentrale Begriffe, wenn es um die Interaktionen innerhalb der Vernetzung des globalen Warenaustausches geht. In Prozessen Aneignung, denen bisher das Hauptaugenmerk der Ethnologischen Forschung gilt, ist der Konsument Hauptakteur und dem Händler oder anderen Bringern kommt lediglich eine Hilfsrolle zu. Der Autor wendet die Perspektive und betont gerade die Prozesse der Entäusserung, des Vermittelns, des Werbens, die auf Seiten der Händler und Mittler untersucht werden müssen. Analog zur Aneignung führt er das Konzept der Übereignung ein. Sie umfasst den tatsächlichen Austausch, also den Übergang der Ware von einem Besitzer zu einem neuen, ebenso wie die kulturelle Interpretation und Umdeutung, die gerade zu das bestimmende Element der Handlungen eines Händlers ist. Der Händler ist in diesem Sinn mehr noch als ein Übersetzer, er ist cultural broker. Angeregt durch Sidney Mintzs klassische Studie aus dem Jahr 1985 “Sweetness and Power” bezieht der Autor seine Analyse nicht nur auf eine ethnologische Mikroperspektive sondern bezieht sich ebenso auf Prozesse und Strukturen globaler Integration. Indem er dies tut, eröffnet er auch einen facettenreichen Blick auf die historischen Hintergründe der Produktion, Distribution und Konsumption. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem 16. bis 20. Jahrhundert. Analog zum weit gespannten Gegenstandsbereich kann der Autor auf ein breites methodologisches Instrumentarium rekurrieren, das von Teilneh-mender Beobachtung über Archiv-, Bibliotheks- und Museumsrecherchen bis hin zu Methoden aus der aktuellen Multi-Sited-Ethnography reicht.

Abschätzung der mikrobiellen Diversität in anoxisch sauren Sedimenten von Braunkohle-Restseen unter Berücksichtigung des Eisenschwefelkreislaufs (2004)

Marco Blöthe

Das Sediment im Restsee 77 wird durch den Verlauf des pH-Wertes dominiert. Dieser liegt im oberen Bereich bei 3 und steigt mit der Tiefe auf Werte von 5,5-6 an. Anhand des pH-Verlaufs wurde das Sediment in die Zonen I bis IV unterteilt. In Zonen I und III konnte eine spontane Fe(II)ges.-Freisetzung beobachtet werden, wobei diese in Zone I abhängig vom pH-Wert war. Diese konnte durch eine Anhebung des pH um den Faktor 2,2 gesteigert werden. Für die Zone III konnte bei Absenkung des pH-Wertes hingegen kein eindeutiger Effekt beobachtet werden. Mit Anstieg des pH im Sediment konnte zwar eine Abnahme der Zellzahl/ml beobachtet werden, die Diversität der Mikrobiota stieg jedoch an. Dies konnte mit unterschiedlichen molekularbiologischen Methoden bestätigt werden. Die allgemeine sowie die DGGE-Klonbibliothek wiesen in Zonen III eine höhere Diversität als in Zone I auf. Dominierend war die ubiquitär vorkommende Gruppe der Acidobacteria. Allerdings ist bis heute mit A. capsulatum nur eine Art kultiviert worden, von der eine dissimilatorische Fe(III) Reduktion nicht bekannt ist. Die allgemeinen Klondatenbank enthielt keinen Hinweis auf eine spezifische Fe(III)-reduzierende Mikrobiota. Von den bis heute bekannten dissimilatorischen Fe(III)-Reduzierern wurden nur Vertreter aus der Gruppe der Geobacteriaceae gefunden. Mit dem Primer-Set GM3/Geo825R für Geobacter konnte ein positives Signal in Zone III bei einer Verdünnugsstufe von 10-1 erhalten werden. In Zone I und Zone II lag die höchste positive Verdünnungsstufe bei 100. Mit dem Primer-Set Gb564/Gb1290 ergab sich ein leicht abgewandeltes Bild. Mit diesen Primern lag die höchste positive Verdünnungsstufe in Zone II und Zone III bei 10-2. Hingegen konnte in Zone I nur mit der unverdünnten DNA ein positives Signal erhalten werden. Mit den für Geothrix spezifischen Primern konnte nur in Zone II bis zu einer Verdünnungsstufe von 10-1 ein positives Signal erhalten werden. Allerdings bestand das erhaltene Produkt aus einer Doppelbande, was auf eine unspezifischen Reaktion während der PCR hindeutet. Kein positives Signal konnte für Shewanella erhalten werden. Für die azidophilen Fe(III)-Reduzierer konnte eine Anpassung beobachtet werden. Für die Acidiphilium-Spezies konnten acht Phylotypen differenziert werden, von denen vier in Zone I und III vorkamen. Die restlichen vier wurden hingegen nur in Zone III nachgewiesen. Ein Sequenzvergleich der Phylotypen aus Zone I und Zone III mit der EMBL-Datenbank ergab ausschließliche Ähnlichkeiten von 99% zu Acidiphilium-Spezies. Die Sequenzen der vier Phylotypen aus Zone III waren zu 95% sequenzähnlich zu kultivierten Acidiphilium oder Acidosphaera Spezies. Die phylogenetische Analyse ergab zwei Gruppen. Gruppe 1 enthält die Phylotypen, die nur in Zone III gefunden wurden. Die Phylotypen von Zone I und Zone III clusterten in Gruppe 2. Für die 'Bioleaching-Assoziierten'-16S rDNA wurden 20 Klone aus Zone I und 28 Klone aus Zone III auf redundante Klone über RFLP gescreent, wobei nur 1 Phylotyp mit 99%ige Sequenzähnlichkeit mit A. ferrooxidans unterschieden werden konnte. A. ferrooxidans reduziert unter sauren pH-Bedingungen (pH 3) mit 20 mM S° als Elektronenquelle alle getesteten Eisenfestphasen, wobei die Fe(II)ges.-Freisetzung mit abnehmender Kristallinität der Fe(III)-Minerale zunimmt. Unter erhöhten pH-Bedingungen (pH 5) erfolgte keine nennenswerte Fe(III)-Reduktion. Die Ergebnisse mit den Reinkulturen deuten darauf hin, dass autotrophe azidophile Fe(III)-Reduzierer unter erhöhten pH-Werten keinen Beitrag zur Fe(III)-Reduktion in Zone III leisten. Eine Fe(III)-Reduktion konnte ebenfalls für den heterotrophen Modellorganismus A. capsulatum gezeigt werden. In Reinkulturexperimenten mit A. capsulatum wurde die Fähigkeit zur Fe(III)-Reduktion getestet. Dabei konnte gezeigt werden, das sowohl Fe(III)-Minerale als auch lösliche Fe(III)-Formen in einem pH-Bereich von 2,2-5 reduziert werden. Hierbei werden zwischen 5 und 40% der aus der Glukoseoxidation gewonnenen Elektronen auf Fe(III) übertragen. Die von PEINE (1998) formulierte Hypothese eins gekoppelten Eisen-Schwefelkreislaufs konnte an zwei Anreicherungskulturen sowie einem Isolat demonstriert werden. Hierbei wurden unterschiedliche Prozesse identifiziert. Anreicherungskulturen MB1 und MB2 oxidierten elementaren Schwefel bzw. Thiosulfat, wobei die Elektronen auf die Fe(III)-Minerale übertragen werden. Isolat MB3 betrieb eine Disproportionierung, bei der das gebildete Sulfid mit den Fe(III)-Mineralen chemisch zu Fe(II) und elementarem Schwefel reagiert. Beide Prozesse gehen vom elementarem Schwefel aus, der im Sediment durch eine Reaktion des Sulfids aus der Sulfatreduktion mit den Fe(III)-Mineralen entsteht. Die Bildung von elementarem Schwefel als Reaktionsprodukt aus der chemischen Reaktion von Na2S mit Fe(III) unter sauren Bedingungen konnte sowohl in Batch-Versuchen als auch in Mikrokosmenexperimenten gezeigt werden.

MAS NMR of Nuclei with Spin S=1/2 in Polycrystalline Powders: Experiments and Numerical Simulations (2004)

Matthias Bechmann

The objective of this work is the examination of one-dimensional magic angle spinning (MAS) nuclear magnetic resonance (NMR) spectra. These spectra serve as a source of spin-system parameters which are related to structural and conformational parameters. It is to show that all spin-system parameters can be derived in a robust and reliable manner. Further on it is investigated how experimental conditions can be optimised in order to determine parameters in a stepwise fashion and get best accuracy for the derived data. This work is dealing with dipolar coupled spin S = 1/2 systems in polycrystalline powdered samples. MAS is used in order to increase spectral resolution and achieve gain in signal-to-noise ratio. However, MAS also causes a substantial down scaling of the information content about the anisotropic interactions of a spin system. A technique to remedy this drawback, while keeping the advantages of MAS, is the use of pulse sequences that reintroduce ("recouple") anisotropic dipolar coupling interactions. To access the spin-system parameters encoded in the lineshapes of MAS NMR spectra an iterative fitting approach is applied. These procedures make numerically exact simulations mandatory and involve accurate calculations of the complete spin-system dynamics. As a consequence all spin-system parameters sensitively encoded in the spectral lineshapes can principally be extracted. Computation of numerically exact simulations can be quite demanding on hardware (CPU speed). The algorithmic implementation of the spin dynamics has significant impact on the time required to simulate a spectrum. Optimisation and clever design of such algorithms is crucial especially when considering the need for repeated simulations in the process of iterative fitting. Usually spin-system size and the complexity of the pulse sequence are the principal factors determining the computation time of a spectrum. The numerical strategy adopted here is applied to one- to four-spin systems where the limiting factor is less the size of the spin system but rather the spin-system characteristics themselves. Spin systems composed of one to four spins have been chosen such that a representative range of spin-system parameters is covered. A combination R² and DQF proved to build robust and reliable experiments making all spin-system parameters accessible to an iterative fitting approach in a usually stepwise manner. The numerical simulations used in this approach additionally can serve for optimising existing pulse sequences. This usually results in better experimental spectra due to a better prediction of optimum experimental setup parameters. Such pre-experiment simulations are especially useful when large CSA interactions are present in dipolar coupled spin systems, a scenario not amenable to a complete theoretical description. Numerically exact simulations can also be regarded as an additional way of designing new pulse sequences. However, there is a certain lack of insight in the physical mechanisms of a pulse sequence when obtained by numerical methods only. For the future it would be useful to improve further the techniques of NMR that give complete and accurate information about local structure. This includes dipolar recoupling experiments of improved selectivity like R²-DQF. But when aiming for the ability to handle larger dipolar coupled spin systems it would also be advantageous to exploit pulse sequences that completely suppress the influence of CSA interactions while maintaining/recoupling the information about dipolar interactions. Further it is important to vary the information content of the spectra, a task for which e.g. OMAS experiments could be used.

Intact and Damaged DNA and their Interaction with DNA-Binding Proteins: a Single Molecule Approach (2004)

Marina Lysetska

In the present work we study the architecture of intact and damaged DNA and their interaction with DNA-binding proteins using a combination of atomic force microscopy (AFM) and fluorescence correlation spectroscopy (FCS). In the beginning of this scientific work we therefore focus our efforts on the development of a reproducible protocol for the surface-deposition of different biomolecules, such as linear and circular DNA, different types of proteins and DNA-protein complexes. The analysis of the apparent contour length of intact DNA molecules of different lengths and under different preparation routines is found to be consistent with its B-DNA conformation. In this thesis we report about the first structural study of long DNA molecules that carry UV-light photolesions at random sites. An exposure of DNA to UV light introduces different modifications to the DNA structure: regions of unpaired DNA of different lengths, sharp kinks, the presence of knot like structures and single-strand breaks. In addition, the dynamics of damage accumulation can be traced with AFM. UV-exposure influences both the apparent contour length and the persistence length of the molecules. The structure of UV light damaged DNA strongly depends on the exposure time. Longer UV-light exposure time introduces increasing DNA damage. An FCS study on DNA exposed to UV-light shows that the presence of photoadducts influences the hydrodynamic properties of DNA molecules. The results obtained using both AFM and FCS are compared with gel-electrophoretical experiments. Further, we report about a first AFM study of the hRPA binding properties to intact and damaged DNA. The damage types under investigation were a 6 nt bubble modification, a cisplatin modification as well as lesions induced by UV-light. In our AFM experiment we never find RPA to be bound to the intact dsDNA chain. In complexes with intact DNA human RPA is only found to be bound to the termini of the linear DNA molecules. Human RPA binds with a very low affinity to both DNA containing a 6 nt bubble modification and a single cisplatin modification. Moreover, hRPA showed in this case still a preferential binding to the ends of the linear DNA molecules as seen in the complexes with intact DNA. Because of the low binding strength of hRPA to the cisplatin intrastrand adduct it is easily possible to remove the protein from its DNA complexes by scanning movements of the AFM tip. The images of the DNA molecules after removal of the hRPA proteins show significant distortions of the DNA chain, namely: the separation of the double strand into single-strands resulting in a large region of unpaired bases. Such structures are never observed in images of DNA carrying a cisplatin lesion before the addition of hRPA. This fact may explain a possible role of hRPA in damage excision. Our experiments show a rather high affinity of hRPA to UV-light damaged DNA that increases with UV-light exposition time. The formation of complexes of hRPA and UV-light damaged DNA molecules was studied by both EMSA and AFM. When hRPA was added to the damaged DNA, globular objects sitting on the rod shaped DNA strands were regularly observed in the AFM images. A systematic analysis of the apparent contour length of DNA molecules in protein-DNA complexes reveals a reduction of the contour length in comparison to the one of uncomplexed DNA molecules damaged for the same time. Such reduction of 27.7±7.6 nm suggests a wrapping of the DNA molecule around the hRPA protein. Additionally, using the hRPA-DNA system, we show that the application of the phase signal allows to differentiate between components of similar architecture, but different origin within one AFM image. The last chapter of the thesis is dedicated to the analysis of the DNA-binding properties of ORF80, a novel leuzine protein of unknown physiological role. Our AFM measurements demonstrate that under low protein concentration a specific binding of ORF80 dominates. To the best of our knowledge ORF80 is the smallest protein that was resolved in complexes with DNA by AFM. The single molecule approach in the study of the ORF80 binding properties to DNA with AFM shows that one, at most two ORF80 monomers recognize a specific sequence on the dsDNA. Both AFM and FCS clearly show that higher ORF80 concentrations lead to the formation of big protein-DNA agglomerates that contain numerous DNA and protein molecules. The formation of these agglomerates can be explained both by the unspecific ORF80 binding and its high aggregation properties.

Effects of land-use changes on the properties of a Nitisol and hydrological and biogeochemical processes in different forest ecosystems at Munesa, south-eastern Ethiopia (2004)

Yeshanew Ashagrie

The effects of conversion of natural forest into different exotic tree species plantations and crop cultivation were investigated at Munesa, south-eastern Ethiopia with the objectives of (i) determining changes on soil physical and chemical properties, (ii) quantifying water and nutrient fluxes under the different forest ecosystems, and (iii) assessing nutrient dynamics in water flowing through the soil under the different forest ecosystems. Soil samples were taken from the organic layer and at 0-20, 20-40, 40-70, 70-100 cm depths from the mineral soil. Rainfall and throughfall were collected using plastic funnels mounted 1 m above the ground. Soil solutions were collected with zero-tension (organic layer) and tension (mineral soil at the depth of 20, 50 and 100 cm) lysimeters. After 26 years of cultivation, surface (20 cm depth) soil structure was deteriorated and total soil organic carbon (SOC) and N contents both in bulk soil and water stable aggregates were significantly reduced. Below 21 years old Eucalyptus plantation no significant changes on the above mentioned parameters could be identified, but significant reductions in SOC, N and S concentrations associated with the sand and silt separates were evident. There were also significant reductions both in quality and quantity of particulate organic matter (POM) due to cultivation and only in quality of POM due to 21 years Eucalyptus plantation. The organic layer mass under 21 years old Pinus patula, 21 years old Eucalyptus globulus and third rotation Eucalyptus globulus (established 42 yr ago) decreased by 43%, 57% and 15%, respectively, relative to the natural forest. There were also significant reductions in the organic layer C and N stocks (9 to 60% and 25 to 68%, respectively), being highest under Pinus and lowest under third rotation Eucalyptus. In the mineral soil, to 1 m depth, there was a significant (P<0.05) reduction (16 to 20%) in SOC stock after conversion of natural forest into forest plantations. The N stocks under the 21 years old Pinus and third rotation Eucalyptus plantations were significantly reduced amounting 27 and 20% respectively, whereas 21 years old Eucalyptus had nearly an equivalent amount of N as that of the natural forest, probably due to a dense forest floor vegetation, fixing N. The changes in the organic layer and mineral soil S stocks after plantation establishment were not significant. Of the total annual rainfall (1190 mm) recorded during the monitoring period (October 2001 to September 2002), about 47% and 18% were intercepted by the canopies of Cupressus and the natural forest, and Eucalyptus, respectively. Total annual nutrients (Ca, Cl, K, Mg, Na, NH4–N, NO3–N, PO4–P, SO4–S ) deposition by rainfall was 12 kg ha–1yr–1. Throughfall K, Mg, Ca and Cl fluxes were enriched relative to rainfall, whereas Na, NO3–N, NH4–N, PO4–P and SO4–S were depleted. Total annual throughfall nutrient inputs (Ca, Cl, K, Mg, Na, NH4–N, NO3–N, PO4–P, SO4–S) were 14 kg ha–1yr–1 under Cupressus, 21 kg ha–1yr–1 under the natural forest and 24 kg ha–1yr–1 under Eucalyptus. Water passing through the different forest floors differed only in K, Mg and NO3–N concentrations, the latter two being higher under the natural forest and Eucalyptus plantation than Cupressus. Potassium was greater under Eucalyptus than the natural forest and Cupressus. Except for NH4–N in the natural forest, forest floor leachate nutrient concentrations were enriched in all forest types in relation to throughfall. Most nutrient fluxes to the mineral soil decreased in relation to throughfall fluxes, whereas NO3–N fluxes increased by over 50% in all forest types. At all soil depths, the concentrations of most nutrients in the mineral soil solution decreased relative to the concentrations in the forest floor leachate, but Mg, Na and NO3–N at all depths in Cupressus plantation and SO4–S and Na at some soil depths in the natural forest and Eucalyptus plantation had increased. The vertical trends in soil solution nutrient concentrations showed a decreasing trend with depth increments for most of the nutrients, but the concentrations of Cl and Na in all forest types and Ca, Mg and NO3–N in Cupressus increased with increasing soil depth. At 1 m soil depth, the concentrations of Ca, Mg and NO3–N in Cupressus, respectively, were 8, 7 and 23 times higher than in the natural forest and 3, 4 and 81 times higher than in Eucalyptus indicating losses by leaching. Generally, the results of this study emphasize the importance of forest type, species composition and management in affecting carbon and nutrient storage, water and nutrient fluxes and dynamics.

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