米国フロリダ湾の亜熱帯ラグーンで、シアノバクテリアの開花により炭酸カルシウムの沈殿とシリカの溶解が引き起こされた

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4071 (2023) この記事を引用

778 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ここ数十年、フロリダ湾で毎年咲くシアノバクテリアの花は、水中のアルカリ度や溶解ケイ素の変化と一致する空間的および時間的パターンを示しました。 初夏には湾の北から中央で開花し、秋には南に広がりました。 ブルームは溶解した無機炭素を引き出し、水の pH を上昇させ、その場で炭酸カルシウムを沈殿させます。 これらの水中の溶存ケイ素濃度は春に最低値 (20 ～ 60 μM) で、夏の間に増加し、夏の終わりには年間最高値 (100 ～ 200 μM) に達しました。 ブルーム水中の高い pH の結果としてのシリカの溶解は、この研究で初めて観察されました。 ブルームのピーク時には、フロリダ湾のシリカ溶解量は、その年のシアノバクテリアのブルームの程度に応じて、調査期間全体で月あたり 0.9 × 107 から 6.9 × 107 mol の範囲で変化しました。 シアノバクテリアブルーム領域における同時の炭酸カルシウムの沈殿量は、1 か月あたり 0.9 × 108 ～ 2.6 × 108 mol です。 ブルームウォーターにおける大気中の CO2 吸収の 30 ～ 70% は炭酸カルシウム鉱物として沈殿し、流入した CO2 の残りはバイオマスの生産に使用されたと推定されています。

ここ数十年で、淡水の湖や川から河口水域や沿岸のラグーンに至るまで、世界中でシアノバクテリアのブルームが発生しています1、2、3、4、5。 北ヨーロッパのバルト海、南フランスのボルモン湖、西アジアのカスピ海、アフリカのビクトリア湖、北米のエリー湖、中国の太湖など、世界中で頻繁にシアノバクテリアが開花し、科学的かつ世間の注目を集めています。日本の霞ヶ浦6、7、8、9、10、11、12。 シアノバクテリアの増殖と拡大は、しばしば有害な藻類を形成し、毒素を生成し、食物網を変化させ、水生生態系に低酸素状態を引き起こします6、7、8、9、10、11、12。 これらは生態系の健全性に影響を与えるだけでなく、淡水および汽水資源の利用可能性と持続可能性に対する深刻な脅威でもあります13、14、15。 多くの研究は、富栄養化、栄養負荷、高水温など、シアノバクテリアのブルームを引き起こす環境条件に焦点を当てています16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26。 最近の研究では、シアノバクテリア ブルームが空気から CO2 を取り込むだけでなく、別の温室効果ガスであるメタンを空気中に放出することが実証されました 27。

フロリダ湾は、米国のフロリダ半島の南端に位置し、フロリダ キーズと呼ばれる 180 マイルの島々によって大西洋から隔てられています。 面積約 2000 km2 の世界最大の沿岸ラグーンの 1 つです。 1991 年以来、フロリダ湾ではシアノバクテリアの繁殖が続いています。 フロリダ湾で開花するシアノバクテリアは、毎年同様の空間的および時間的パターンを示しています28、29、30、31。 多くの研究では、晩春または初夏にフロリダ湾で毎年恒例のシアノバクテリアの開花が記録されています。 湾の北中部では、シアノバクテリア シネココッカス（Synechococcus）の細胞生物体積が定期的に 107 µm3 ml-1 を超えるブルームの頻度と強度が高かったことが実証されています（図 1）29。 秋には高濃度のシアノバクテリアが湾の南中部に広がりました。 この輸送パターンは、秋の寒冷前線の始まりと一致しました。 秋の季節には、寒冷前線が強い北風または北西風をもたらし、ブルームを含んだ水を北中央湾から南中央湾に押し上げる可能性があります29。 これら 2 つの地域で観察された同様の塩分濃度変動パターンは、フロリダ湾の中央地域における水循環の原動力として季節風を裏付けています 32。

フロリダ湾の 40 か所のサンプリング ステーションの場所。 シアノバクテリアのブルームの季節的進行は、矢印と等高線で示されています。夏は実線、秋は破線です (Phlips et al.29 にちなんで)。

シアノバクテリアは 2 つの CO2 捕捉モードを処理します。光合成は CO2 を有機炭素に変換し、石灰化はカルシウムイオンと CO2 を結合させて炭酸カルシウム鉱物を生成します。 石灰化のメカニズムとして広く受け入れられているのは、二酸化炭素の濃縮メカニズムです 33。 シアノバクテリア細胞は、カルボキシル化酵素リブロース 1,5-二リン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ (Rubisco) の部位で CO2 濃度を周囲水中の濃度の 1000 倍まで上昇させることができ、細胞外部の pH を上昇させ、カルシウムの生成を促進します。炭酸塩の沈殿３４． シアノバクテリアの鞘上の方解石の核形成は以前の研究で観察されています35。

石灰化プロセスでは、次のように、炭酸カルシウム鉱物形成 1 モルごとに 2 モルのアルカリ度が消費されます。

ブルームウォーター内のシアノバクテリアによる光合成は、溶解した無機炭素を取り除き、pHを上昇させます。 浅い湾の水の pH が上昇すると、炭酸カルシウムが沈殿し、堆積物中にシリカが溶解します。

周囲中性 pH における水へのシリカの溶解は、粒子表面でのシロキサン結合 > Si-O-Si < の切断を引き起こす水分子の求核攻撃によって開始されます36。 水分子が表面シリコン原子に近づくと、電子密度の移動が弱まり、最終的には隣接するシロキサンのSi-O結合が切れ、解離する水分子と結合してSi-OH（シラノール）基を形成します。 このプロセスは、表面シリコン原子を囲むすべてのシロキサン結合が破壊され、溶解したケイ酸分子 Si(OH)4 が形成されるまで繰り返されます。 荷電した水酸化物イオンは、表面のシラノール基の脱プロトン化を引き起こし、それによって架橋シロキサン結合の切断をさらに促進するため、分子状の水よりも強力な求核剤です。 塩基によって促進されるシリカの溶解は、海洋珪藻試験および植物植物石に関して以前に実証されている 37。

一方、淡水も海水も、ほとんどのシリカ鉱物の溶解度は飽和度が低く、約 2 mM です。 シリカの溶解は、ほとんどの天然水において熱力学的に有利ですが、溶解速度は速度論的に制限されています。 溶解速度は、pH 6.3 の淡水から pH 8.1 の海水まで 5 倍増加したという研究で証明されているように、pH が高くなると溶解速度が向上します 38。 私たちの以前の研究では、シアノバクテリアのブルームが大気中の CO2 を吸収し、ブルームの水がフロリダ湾の CO2 吸収源として機能していることが実証されました 39。 この研究の目的は、フロリダ湾におけるシアノバクテリアのブルームによって引き起こされる炭酸カルシウムの沈殿とシリカの溶解の年間予算を定量化することです。

1999 年から 2012 年まで、R/V バージニア キーによる隔月調査で、フロリダ湾内の 40 地点から栄養分分析用の水サンプルが収集されました。水の pH と溶存無機炭素の測定は 2006 年以降に追加されました。サンプリングとサンプル分析に関する詳細情報は、他の場所で公開されている39。 簡単に説明すると、ろ過された海水サンプルは、海岸にある当社の研究所で、溶存無機炭素、pH、および栄養素について分析されました。 溶存無機炭素は、島津製作所 TOC-V 全有機炭素分析装置を無機炭素モードで使用して分析しました。 海水サンプルは塩酸で酸性化されて二酸化炭素を放出し、二酸化炭素は非分散型赤外線ガス分析装置で検出されました。 指示色素として m-クレゾールパープルを用いた分光光度法により海水サンプルの pH を測定しました。 吸光度の変化は、Agilan-8453 分光光度計を使用して、波長 578 および 434 nm で定量化されました40。 次に、河口塩分範囲にわたって測定された指示薬色素の pK 値を使用して、pH 値を 25 °C での総プロトンスケールで計算しました 41。

栄養素サンプルは、Seal 自動分析装置を使用して硝酸塩、亜硝酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩の濃度を分析しました。 サンプル中の硝酸塩は、最初に銅被覆カドミウムカラムによって亜硝酸塩に還元され42、得られた亜硝酸塩濃度（すなわち、硝酸塩と元の亜硝酸塩の合計）は、スルファニルアミドとのジアゾ化反応およびN-1ナフチルエチレンジアミン二塩酸塩とのカップリングによって測定されました。ピンク色のアゾ染料が形成され、その吸光度が 540 nm で測定されました 43。 サンプル中のリン酸塩は、モリブデン酸と反応してリンモリブデン酸錯体を形成し、その後ヒドラジンで還元されてリンモリブジウムブルーを形成することで測定され、その吸光度は 736 nm で測定されました44。 ケイ酸塩は、酸性溶液中でモリブデン酸アンモニウムと反応してβ-モリブドケイ酸を形成し、その後アスコルビン酸で還元されてモリブデンブルーを形成することによって分析されました。 モリブデンブルーの吸光度は660 nmで測定されました。 シュウ酸は、過剰なモリブデン酸塩の還元を防ぎ、サンプル中のリン酸塩の干渉を最小限に抑えるために添加されました45。

海水中の無機炭素パラメータは、測定された溶存無機炭素濃度、pH、塩分、温度、栄養素、および総プロトンスケールでの炭酸解離定数から CO2SYS.XLS を使用して計算されました 46、47、48。 無機炭素パラメーターの計算に関する詳細な手順は、他の場所で公開されています39。 簡単に説明すると、海水サンプル中の炭酸塩のアルカリ度と炭酸カルシウムの飽和状態 (Ω) は、pH と溶存無機炭素濃度の測定値から計算されました。 炭酸アルカリ度の定義49によれば、光合成や呼吸などのCO2を伴う生物学的プロセスは周囲水の炭酸アルカリ度を変化させず、炭酸アルカリ度の変化は炭酸カルシウム鉱物の沈殿または溶解に起因すると考えられています。 ただし、総アルカリ度は、無機栄養種の同化または放出の結果として、光合成または呼吸のプロセスでわずかに変化します50。

各調査の湾全体の溶存ケイ素と炭酸塩のアルカリ度は、Surfer ソフトウェアで作成された等高線グリッド ファイルを使用して 40 の測点から統合されました。 Surfer は、不規則な間隔の測量ステーション データを規則的な間隔のグリッドに補間する、グリッド ベースのマッピング プログラムです。 グリッドは、等高線マップや 3D 表面マップなどのさまざまなタイプのマップを作成するために使用されます。 各調査の湾全体の溶存ケイ素と炭酸アルカリ度のインベントリは、フロリダ湾の平均水深を入力して Surfer のグリッド ボリューム計算機能を使用して計算されました。

この研究では、測定された溶解無機炭素、pH、塩分および栄養素から総アルカリ度と炭酸カルシウムの飽和状態 (Ω) が計算されました。 例として、2011 年の総アルカリ度とΩの湾全体の空間分布と季節変動を図 2 に示します。

2011 年のフロリダ湾水域における (A) 総アルカリ度 (TA、1400 ～ 3200 μM、間隔 200 μM) と (B) 飽和状態 Ωc (2 ～ 11、間隔 1) の空間分布の季節変化。等高線図は商用ソフトウェア Surfer バージョン 10 (https://www.goldensoftware.com) を使用して生成されます。

3 月の総アルカリ度 (TA) は湾全体で高く、平均 2720 ± 221 μM でした。 Ωは中程度で、3.13 ～ 5.85 の範囲で、平均は 4.99 ± 0.76 でした。 最高の TA は、エバーグレーズ湿地に隣接する北部の海岸観測点で見つかり、その範囲は 2801 ～ 3154 μM でしたが、北中央観測点 7 の最も低い TA (2058 μM) と最高の pH (8.10) を除きました。

4 月には、湾全体の TA は 2502 ± 284 μM に減少しました。 これは主にステーション 7 での TA (2058 μM) の減少と、低 TA (< 2100 μM) の水域が南方の湾中央まで広がったことによるものでした。 5月末までに、低TAおよび高pHの水域は中央湾で最大の範囲に達し、北はエバーグレーズ沖の沿岸水域から南はフロリダキーズ近くの海域まで広がった。 しかし、最低の TA 1544 μM と最高の pH 8.53 はステーション 7 に留まりました。Ω も年間最大値 (北中央湾のステーション 33 で 8.15) に達し、中央湾全体に広がる最大の空間範囲に達しました。

季節が秋に進むにつれて、低 TA と高Ωの水域は大幅に減少しましたが、ステーション 7 は湾内で最も低い TA (1811 μM) と 2 番目に高い pH (8.22) を維持しました。 湾中央部では高Ω水が観察された。 10 月には、湾東部の TA は 2500 μM 以上に増加しましたが、湾中央の TA が低い水域はさらに南に広がり続けていました。 12 月までに湾全体で TA が増加し、以前に見られた TA の低い水域は完全に消失しました。

TA の空間分布と季節変動は湾内の塩分濃度とは逆であった。 冬に北東隅で観察された最も高い TA は、湾内の最も低い塩分濃度 (約 18) と関連していました 32,51。 初夏には、北中央湾で最も高い塩分濃度（> 40）が観測された最低の TA と共存していました 32,51。

2011 年の pH と溶存ケイ素濃度の空間分布とその季節変動を図 3 に示します。pH 52,53 の海水では炭酸緩衝作用により、pH の空間分布は DIC や TA の空間分布と逆になりました。 3 月の pH は年間最低値で、7.69 ～ 8.10 の範囲で、平均は 7.93 ± 0.08 でした。 pHは5月に年間最大値に達し、9月に低下しました。

2011 年のフロリダ湾水域における (A) pH (7.0 ～ 9.0、間隔 0.2) および (B) 溶存ケイ素 (Si、0 ～ 200 μM、間隔 20 μM) の空間分布の季節変化。等高線図は次の方法を使用して生成されました。商用ソフトウェア Surfer バージョン 10 (https://www.goldensoftware.com)。

シアノバクテリアブルーム水では高濃度の溶存ケイ素が観察されました (図 3)。 3 月には、溶存ケイ素濃度は湾全体で低かったが、ステーション 7 で最大溶存ケイ素が 130.6 μM に達した北中央地域を除いて、4 月には溶存ケイ素濃度は 133.8 μM まで増加したが、最大溶存ケイ素 (142.8 μM) が検出された。 5 月末までに、高溶存ケイ素水は中央湾で最大の広がりに達し、最大濃度 159.2 μM がステーション 6 に残りましたが、高溶存ケイ素水は南と西の方向に広がっていました。 季節が秋に進むにつれ、溶存ケイ素濃度は大幅に減少し、夏に見られた高溶存ケイ素水は完全に消滅しました。

2011 年のデータに示されているように、最大​​の pH と溶存ケイ素濃度は常に湾内のシアノバクテリア ブルームの中心で発生します。 1999 年から 2012 年まで湾内で観測された月ごとの最大溶存ケイ素濃度が、2006 年から 2012 年に観測された pH 最大値とともにプロットされています。最大溶存ケイ素濃度は冬には低く、毎年夏にピーク値に達します。 フロリダ湾で観察された最高の溶存ケイ素濃度は、2007 年の夏に 300 μM でした。冬季の溶存ケイ素濃度は、2005 年以前は 20 μM 未満でした。2007 年の夏に大量の溶存ケイ素が投入された後、冬の溶存ケイ素は 50 μM 以上に増加し、その濃度に達しました。フロリダ湾では 2011 年と 2012 年に 100 µM まで減少しました。 測定された pH は最大溶解ケイ素に関連しており、8.1 から 8.6 まで変化しました。 春の最大 pH は 8.2 ± 0.1 で、5 月には 8.5 ± 0.1 まで急速に上昇しました。 Maxima の pH は秋から冬にかけて徐々に低下し、8.3 ± 0.1 になりました。

1999 年から 2012 年の期間にフロリダ湾で観察された最大溶存ケイ素濃度と月ごとの最大 pH の季節的および経年的変化。

湾全体の溶存ケイ素在庫の季節的および経年変化を図 5 に示します。これは、在庫が高溶解ケイ素水によって占められているため、最大溶存ケイ素濃度と同様です。 湾全体の溶存ケイ素インベントリは 1.0 × 107 から 2.0 × 108 mol の範囲で変動し、1999 年から 2012 年の期間の平均は 1.0 × 108 ± 1.25 × 107 mol でした。 1999 年から 2005 年の冬には、湾全体の最小溶存ケイ素在庫 1.0 × 107 mol が観察されました。 冬の極小値は 2006 年から 2007 年にかけて 7.0 × 107 mol 以上に増加しました。2010 年には 1.0 × 107 mol まで減少しましたが、その後再び増加しました。 湾全体の溶存ケイ素在庫の年間最大値は、シアノバクテリアのブルームにより 5 月に発生しました。 季節パターンに加えて、実質的な年々変動が観察されました。

1999 年から 2012 年の期間におけるフロリダ湾の最大 pH と溶存ケイ素の在庫量の季節的および年次変化。

湾全体の溶存ケイ素在庫量の年間最大値は、1999 年から 2004 年の最低値 9.0 × 107 ± 1.0 × 107 モルから、2007 年の最高値 2.0 × 108 モルまで変動しました。シアノバクテリアブルーム領域における同時の炭酸カルシウムの沈降量は、0.9 の間です。 × 108 ～ 2.6 × 108 mol/月 (図 6)。 ブルームウォーターにおける大気中の CO2 吸収の 30 ～ 70% は炭酸カルシウムの沈殿として最終的に生成され、残りの CO2 流入はバイオマスの生産に使用されたと推定されています。

2006 年から 2012 年までのフロリダ湾の最大 pH と総アルカリ度の季節的および経年的変化。

図１、２に示すように。 図２と図３に示すように、湾全体のアルカリ度は北から南に向かって減少します。 これは、フロリダ湾北部がエバーグレーズの湿地からの流出物として大量の物質を投入された結果です。 北湾の高いアルカリ度は、海岸のマングローブ林からその場で生成され、エバーグレーズの湿地から北湾への流出物である有機物の呼吸によって生成される酸による炭酸カルシウムの豊富な堆積物の溶解によって生成されました54。 北中央湾で発生したシアノバクテリア ブルームは炭酸カルシウムの沈殿を引き起こし、ブルーム地域のアルカリ度を低下させました。 全体として、湾全体の総アルカリ度の大幅な変化は、水柱と底層の石灰化（アルカリ度の低下）と有機物の酸化（アルカリ度の増加）によって引き起こされます。 これは、蒸発プロセスによる淡水の流入または損失による塩分と総アルカリ度の小さな共変動が通常観察できる外洋水とは対照的です。

フロリダ湾で観察された高濃度の溶存ケイ素の蓄積は、部分的には湾の浅い水（平均深さ 1 m）に起因しており、そこでは堆積物の再懸濁により、生物起源のシリカを含むシリカ鉱物と高 pH 水との接触が増加する可能性があります38。 私たちの知る限り、これは高 pH ブルーム水中の堆積物からのシリカの溶解を現場で観察した最初の例です。 これは、多くの沿岸水質研究が窒素とリンのみに焦点を当て、溶存ケイ素濃度を測定していないことが部分的に原因です。 しかし、海洋や湖などの深海の水生生態系では、ブルームによって誘発された高pHの表層水は底質と接触してシリカ鉱物の溶解を引き起こす機会がほとんどないため、水中の溶解ケイ素の蓄積を観察できなかった可能性があります。水柱。

先カンブリア時代の化石ストロマトライトは、海洋シアノバクテリアの長い進化の歴史の証拠を提供します55,56。 30億年以上の進化により、彼らは極限の環境条件への生理学的適応と、必須栄養素を細胞内に取り込んで貯蔵するメカニズムを獲得してきました56,57。 注目すべき能力には、氷に覆われた場所から温泉の生息地まで、極端な温度で生き残ることが含まれます。 多くの野外観察と培養実験は、シアノバクテリアが周囲水から炭酸カルシウムを沈殿させることができることを示しており 35,58,59 、海水中で沈殿したアラゴナイト、汽水中の高マグネシウム方解石など、異なる環境から異なる形態の炭酸カルシウムが形成される可能性がある。 、淡水中の低マグネシウム方解石60,61。 しかし、多くの研究では、シアノバクテリア群集によるシリカおよび酸化鉄鉱物の溶解も示しています 62,63。 この研究では、世界最大級の沿岸ラグーンの一つ、米国フロリダ湾における一年生シアノバクテリアのブルームによる炭酸カルシウムの湾全体の沈殿とシリカの溶解の初の野外観察証拠を提供した。

フロリダ湾で毎年恒例のシアノバクテリアのブルームが記録されているのはここ数十年だけですが、ブルームはもっと長い時間スケールで発生する可能性があります。 西湾の炭酸カルシウムの沈殿は、ほとんどが高マグネシウム方解石の形態である54。 フロリダ湾の平均水深は約 1 メートルですが、湾の西部地域はより浅く、炭酸カルシウムの泥土堤が広がっています 32。 原位置シアノバクテリアのブルームに由来する炭酸カルシウムの継続的な蓄積により、堆積物の生成速度が増加し、その結果、湾底が上昇し、湾の西部地域の水深が減少する可能性があります。

一般に、熱帯および亜熱帯の河川では溶存ケイ素含有量が低くなります64。 実際、亜熱帯のエバーグレーズにあるシャーク川には溶存ケイ素が少ない。 しかし、生物起源のシリカの溶解は、世界中の陸地と海洋の移行帯で発生しています65。 このような溶解は、海水のより高い pH と塩分によって促進されます 38。 珪藻の花も湾の西側で頻繁に発生します28,66。 この地域のシアノバクテリアのブルームは、西湾で珪藻のブルームを開始し維持するために、この地域の堆積物からの高濃度の平衡リン酸塩とともに、高 pH 水中に十分な溶解ケイ素を提供する可能性があります67。 全体として、シアノバクテリアのブルームは栄養素と炭素の動態を動かし、フロリダ湾の生態系機能に影響を与えています。

この研究では、フロリダ湾で毎年恒例のシアノバクテリアの開花が炭酸カルシウムの実質的な沈殿とシリカの溶解を引き起こしたことを記録しました。 ブルームは毎月 0.9 × 108 ～ 2.6 × 108 mol の範囲で炭酸カルシウムの沈殿を引き起こし、毎月 0.9 × 107 ～ 6.9 × 107 mol の範囲でシリカの溶解を引き起こしました。 ブルームウォーターはフロリダ湾の CO2 吸収源であり、ブルームウォーターで大気中に取り込まれた CO2 の推定 30 ～ 70% が炭酸カルシウム鉱物として沈殿し、流入した CO2 の残りはバイオマスの生産に使用されました。

フロリダ湾での将来の研究では、ブルームの強度を制御する環境要因を特定するために、シアノバクテリアのブルームを毎年監視する必要があります。 フロリダ湾の CO2 フラックスを定量化することに加えて、湾の炭素収支を解消するために、シアノバクテリア ブルーム水域からのメタンの潜在的な発生源を調査する必要もあります。

この論文で使用されているデータは、NOAA 大西洋気象研究所の Web サイト (https://www.aoml.noaa.gov/data-products/#so-flo-cruise-data) で入手できます。

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著者は、フロリダ湾での現地調査中にサンプル収集と分析を支援してくれた Charlie Fischer、Lindsey Visser、Chris Kelble に感謝します。 この研究は NOAA/COP および NOAA/OAR によって支援されました。 声明、調査結果、結論、および推奨事項は著者のものであり、必ずしも NOAA または米国商務省の見解を反映しているわけではありません。

米国海洋大気局、大西洋海洋気象研究所、海洋化学および生態系部門、マイアミ、フロリダ州、33149、米国

ジャン・ジアゾン

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J.-ZZ はデータを分析して原稿を書きました。

Jia-Zhong Zhang への通信。

著者は競合する利害関係を宣言しません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

チャン、JZ. 米国フロリダ湾の亜熱帯ラグーンでは、シアノバクテリアの開花によって炭酸カルシウムの沈殿とシリカの溶解が引き起こされました。 Sci Rep 13、4071 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-30905-4

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受信日: 2022 年 9 月 29 日

受理日: 2023 年 3 月 3 日

公開日: 2023 年 3 月 11 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30905-4

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