Анализ ДНК микроорганизмов в водном цикле конкретного региона позволяет лучше понять, почему загрязнение в одних местах сильнее, чем в других. В сочетании с оценкой других природных трассеров, например, инертных газов, данные о микроорганизмах, полученные с помощью анализа эДНК, позволяют получить важные представления о потоках, циркуляции и функционировании сложных систем подземных вод.
«Это огромный набор инструментов, который является новым для нашей области исследований, — говорит Оливер Шиллинг, доктор философии, профессор гидрогеологии Базельского университета и Швейцарского федерального института водных наук и технологий Eawag. Количественная гидрогеология позволяет определить, где и как быстро будут накапливаться новые подземные воды.
Начиная с 2018 года Шиллинг проводил различные измерения на горе Фудзи в Японии, чтобы определить, откуда берется родниковая вода — где подземные воды протекают, прежде чем вернуться на поверхность и образовать сотни нетронутых природных источников, разбросанных вокруг горы Фудзи. Результаты его исследования («Повторное изучение происхождения подземных вод горы Фудзи с помощью гелия, ванадия и трассеров эДНК») опубликованы в только что вышедшем первом издании журнала Nature Water.
Водяная гора
«Известная в народе как водяная гора, культовая японская гора Фудзи на протяжении тысячелетий обеспечивает безопасной питьевой водой миллионы людей благодаря обширной сети подземных вод и пресноводных источников. Подземные воды, пополняемые на больших высотах, стекают по склонам Фудзи в пределах трех базальтовых водоносных горизонтов, образуя в итоге бесчисленное множество первозданных пресноводных источников в предгорьях Фудзи», — пишут авторы исследования.
«В данной работе мы ставим под сомнение необходимость разработки и внедрения новых технологий.
«Здесь мы оспариваем существующую концептуальную модель Фудзи как простой системы ламинарного потока подземных вод с незначительным или отсутствующим вертикальным обменом между тремя водоносными горизонтами. Эта модель сильно контрастирует с экстремальной тектонической нестабильностью Фудзи, обусловленной ее уникальным расположением на вершине единственного известного тройного соединения континентальных впадин и траншей, ее сложной геологией и необычными микробными сообществами родниковой воды.
Результаты исследования свидетельствуют о преобладающей глубинной циркуляции и ранее неизвестном вкладе глубинных грунтовых вод в пресноводные источники горы Фудзи. [CasarsaGuru/Getty Images] «На основе уникальной комбинации микробной экологической ДНК, ванадия и гелия мы приводим доказательства преобладания глубинной циркуляции и ранее неизвестного вклада глубинных подземных вод в пресноводные источники Фудзи. Наиболее значительный подъем глубинных подземных вод был обнаружен вдоль наиболее тектонически активного региона Японии — зоны разлома Фудзикава-како.
«Наши результаты расширяют гидрогеологические представления о Фудзи и демонстрируют огромный потенциал сочетания анализа ДНК микроорганизмов, инертных газов и микроэлементов для изучения подземных вод».
<Именно благодаря японскому коллеге Шиллингу пришла идея исследовать эДНК микроорганизмов в этом регионе.
«Он рассказал мне о водных источниках на горе Фудзи, которые демонстрируют примечательные признаки, а именно: эДНК, содержащаяся в воде, показывает присутствие организмов, которые могут расти только на глубине от 500 до 1000 метров», — вспоминает он, отмечая, что это является индикатором того, что часть воды источника поступает из глубоких подземных вод. «Это был первый признак того, что эДНК микроорганизмов может дать некоторые подсказки о траектории движения подземных вод в сочетании с другими независимыми трассерами, такими как инертные газы»
Наряду с эДНК гидрогеолог также проанализировал два трассера подземных вод, частота встречаемости которых в связи с уникальным геологическим строением горы Фудзи очень высока: инертный газ гелий и микроэлемент ванадий. «Все три природных трассера говорят об одном и том же: существует систематическая глубинная циркуляция воды в пределах горы Фудзи. Подобные анализы — ключ к пониманию системы», — заключил Шиллинг.
Потенциальные находки для Швейцарии
Это новое применение трассеров может быть использовано для изучения систем подземных вод во всем мире. Например, в Швейцарии его можно применить для определения того, откуда берется вода, которая закачивается из-под земли для питья.
«Большая доля эДНК холодолюбивых микробов в грунтовых водах, например, указывает на то, что талая вода со снегов и ледников составляет значительную часть грунтовых вод», — пояснил Шиллинг.
Заглядывая в будущее, можно сказать следующее: «Если мы знаем, насколько важны эти природные запасы воды, мы можем заранее искать альтернативные варианты, чтобы максимально оградить пострадавшие регионы от сезонного дефицита воды», — продолжил гидрогеолог. В результате изменения климата в Швейцарии тают ледники и уменьшается количество снега, а это означает, что эти важные источники воды для ручьев и грунтовых вод постепенно исчезают. Это негативно скажется на доступности воды, особенно в жаркие и засушливые летние месяцы.
Одной из возможностей предотвратить острую нехватку воды в летний период является сбор большего количества дождевой воды в водохранилища в зимний период, например, путем искусственного увеличения запасов подземных вод или адаптации методов управления наземными водохранилищами. «Анализ микробиологической эДНК дает нам новый инструмент для более точной калибровки гидрологических моделей, используемых при управлении подземными водами», — сказал Шиллинг.
Это, в свою очередь, является важной частью составления реалистичных прогнозов качества и доступности воды и позволяет осуществлять устойчивое долгосрочное планирование управления подземными водами — самым ценным и богатым источником питьевой воды.