对特定区域水循环中微生物群落的环境DNA(eDNA)分析可以更好地理解为什么某些地方的污染比其他地方更严重。它还可以帮助地方官员实施可持续的水资源管理政策和实践。

结合对其他天然示踪剂(例如惰性气体)的评估，通过eDNA分析获得的微生物数据提供了对复杂地下水系统的流动、循环和功能的重要一瞥。

“这是一个庞大的工具箱，对我们的研究领域来说是全新的，”巴塞尔大学和瑞士联邦水产科学与技术研究所Eawag的水文地质学教授OliverSchilling博士说。定量水文地质学绘制出新地下水聚集的位置和速度。

从2018年开始，席林对日本富士山进行了各种测量，以确定泉水的来源——地下水在回到地表之前流经的地方，形成了散布在富士山周围的数百个原始天然泉水。他的成果(“用氦、钒和eDNA示踪剂重新审视富士山的地下水起源”)出现在刚刚出版的第一版《自然水》中。

水山

几千年来，日本标志性的富士山在当地被称为水山，通过庞大的地下水和淡水泉网络为数百万人提供安全饮用水。地下水在高海拔处得到补给，在三个玄武岩含水层内顺着富士山两侧流下，最终在富士山脚下形成无数原始淡水泉，”调查人员写道。

“在这里，我们挑战当前富士的概念模型是一个简单的地下水层流系统，其三个含水层之间几乎没有垂直交换。该模型与富士极端的构造不稳定性形成鲜明对比，因为它位于唯一已知的大陆海沟-海沟-海沟三重交界处的独特位置、复杂的地质结构和不寻常的微生物泉水群落。

研究结果为盛行的深层循环和以前未知的深层地下水对富士山淡水泉的贡献提供了证据。[卡萨尔萨古鲁/盖蒂图片社]

“基于微生物环境DNA、钒和氦示踪剂的独特组合，我们提供了普遍存在的深层循环和以前未知的深层地下水对富士淡水泉的贡献的证据。在日本构造最活跃的地区藤川河湖断层带发现了最大量的深层地下水上升流。

“我们的发现拓宽了对富士的水文地质学认识，并展示了将环境DNA、现场惰性气体和微量元素分析相结合用于地下水科学的巨大潜力。”

多亏了一位日本同事，席林才有了检查该地区微生物eDNA的想法。

“他告诉我富士山上的水源表现出值得注意的特征，即水中所含的eDNA表明存在只能在500到1,000米深处生长的生物，”他回忆道，并指出这是一个表明部分源水来自深层地下水。“这是第一个迹象表明，当微生物eDNA与惰性气体等其他独立示踪剂结合使用时，可能会提供一些关于地下水流动轨迹的线索。”

除了eDNA，水文地质学家还分析了由于富士山独特的地质环境而具有较高发生率的两种地下水示踪剂：惰性气体氦和微量元素钒。“这三种天然示踪剂都讲述了同一个故事：富士山内的水有系统的深层循环。这样的分析是理解系统的关键，”席林总结道。

瑞士的潜在发现

示踪剂的这种新应用可用于检查全世界的地下水系统。例如，在瑞士，它可用于确定从地下抽出饮用水的水源。

“例如，来自地下水中嗜冷微生物的大部分eDNA表明来自雪和冰川的融水构成了来源地下水的很大一部分，”席林解释说。

着眼于未来，这意味着：“如果我们知道这些天然水资源的重要性，我们就可以提前寻找替代方案，以尽可能地保护受影响地区免受季节性缺水的影响，”这位水文地质学家继续说道。由于气候变化，瑞士的冰川正在融化，积雪正在减少，这意味着溪流和地下水的这些重要水源正在慢慢消失。这将对可用水产生负面影响，尤其是在越来越频繁的炎热干燥夏季。

防止夏季严重缺水的一种可能性是在冬季将更多的雨水收集到水库中，例如通过人工加强地下水库或调整地上水库的管理方式。“对微生物eDNA的分析为我们提供了一种新工具，可以更好地校准用于地下水管理的水文模型，”Schilling说。

这反过来又是对水质和可用性做出现实预测的重要组成部分，并允许对地下水管理进行可持续的长期规划，地下水是我们最宝贵和最丰富的饮用水源。