연구결과, 최근 발간된 『네이처 워터(Nature Water) 저널』 초판에 실려

미생물 집단의 환경DNA(eDNA) 분석은 우리가 특정 지역의 물순환이 어떻게 작동하는지 이해하는 데 도움을 줄 수 있다. 스위스 바젤대학(University of Basel)의 수문지질학자인 올리버 실링(Oliver Schilling) 교수는 최근 후지산의 물순환을 조사하기 위해 이 방법을 사용했다. 그의 결과는 스위스에도 영향을 미친다.

특정지역의 사람들에게 식수를 제공하는 물은 어디에서 오는가? 무엇이 이러한 자원들을 먹이고 지하수가 지표면으로 돌아오는 데 얼마나 걸리나? 이 수문학적 순환은 다양한 요인들의 복잡한 상호작용이다.

시스템을 더 잘 이해하면 예를 들어, 오염이 왜 다른 곳보다 더 나쁜지 이해할 수 있고, 지속 가능한 물관리 정책과 관행을 시행하는 데 도움이 될 수 있다.

환경DNA(eDNA ; Environmental DNA)는 우리의 이해를 향상시키기 위해 몇 가지 중요한 데이터를 제공한다. 이 미생물 데이터는 다른 천연 추적기(예: 비활성 기체)의 평가와 결합하여 복잡한 지하수 시스템의 흐름, 순환 및 기능에 대한 중요한 정보를 제공한다.

바젤대학의 수문지질학 교수이자 스위스 수문과학기술연구소(Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology) 에와그(Eawag)의 올리버 실링 교수는 “그것은 우리의 연구 분야에 새로운 거대한 도구 상자”라고 말한다. 정량적 수문지질학은 새로운 지하수가 어디에 얼마나 빨리 축적될 것인지를 지도화한다.

실링 교수는 2018년부터 샘물이 어디에서 오는지 확인하기 위해 일본 후지산에서 다양한 측정을 수행했다. 즉, 지표면으로 다시 도달하기 전에 지하수가 흘러 후지산 주변에 흩어져 있는 수백 개의 깨끗한 천연 샘물을 형성하는 곳이다. 그의 연구결과는 최근 발간된 초판에 실렸다.

환경DNA(eDNA)에서 물의 기원 결정

“이 특별한 산의 선택은 우연이 아니었다. 후지산의 지질학적 배경은 지구상에서 유일하게 세 개의 지각판이 이렇게 만나는 곳이기 때문이다. 이것은 지하수 시스템을 매우 복잡하게 만들고 따라서 표준방법을 사용하는 조사에 적합하지 않는다”라고 올리버 실링 교수는 설명한다.

실링 교수가 그 지역에서 미생물 eDNA를 검사하는 아이디어에 도달한 것은 일본인 동료 덕분이었다. 실링은 “그는 나에게 후지산의 중요한 특징을 보여주는 수원, 즉 물 속에 포함된 eDNA가 500∼1천m 깊이에서만 자랄 수 있는 유기체의 존재를 보여준다고 말했다”고 회상한다.

실링 교수는 이어 “이것은 일부 원천 물이 깊은 지하수에서 나온다는 표시이다. 이것은 미생물 eDNA가 비활성 기체와 같은 다른 독립적인 추적기와 결합할 때 지하수의 흐름 궤적에 대한 몇 가지 단서를 제공할 수 있다는 첫 번째 징후였다”라고 말한다.

그의 호기심은 자극을 받았다. 캐나다 퀘벡(Quebec)에 있는 라발대학(Universite Laval)에서 박사후 과정을 밟는 동안 방학에 일본을 여행하며 일본인 동료와 함께 다양한 측정을 진행했다. 그는 또한 주로 일본어로 된 기존의 과학 문헌을 깊이 파고들었다.

수문 지질학자는 또한 eDNA와 함께 후지산의 독특한 지질환경으로 인해 발생률이 높은 두 개의 지하수 추적기, 즉 고귀한 가스 헬륨과 미량 원소 바나듐을 분석했다.

“세 개의 자연 추적기 모두 동일한 이야기를 들려준다. 후지산 내에 체계적으로 깊은 물 순환이 있다는 것이다. 그러한 분석이 시스템을 이해하는 열쇠이다”라고 실링 교수는 결론짓는다.

스위스에 대한 잠재적 결과

이 새로운 추적기 응용 프로그램은 전 세계의 지하수 시스템을 조사하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 스위스에서는 식수를 위해 땅에서 퍼낸 물이 어디에서 오는지 결정하는 데 적용될 수 있다.

“예를 들어, 지하수에 있는 차가운 것을 좋아하는 미생물에서 나온 eDNA의 많은 비율은 눈과 빙하에서 나온 녹은 물이 원천 지하수의 상당한 비율을 형성한다는 것을 나타낼 것이다”라고 실링 교수는 설명한다.

미래를 내다보며 이는 다음을 의미한다. 기후변화의 결과로 스위스에서는 빙하가 녹고 눈이 줄어들고 있다. 이는 하천과 지하수의 중요한 수원이 서서히 사라지고 있음을 의미한다. 이것은 특히 점점 더 자주 덥고 건조한 여름철에 물 가용성에 부정적인 영향을 미칠 것이다.

기후변화의 결과로, 스위스에서는 빙하가 녹고 눈이 줄어들고 있는데, 이것은 하천과 지하수를 위한 이러한 중요한 수원이 서서히 사라지고 있다는 것을 의미한다. 이것은 특히 덥고 건조한 여름에 물의 가용성에 부정적인 영향을 미칠 것이다.

여름철 심각한 물부족을 예방할 수 있는 한 가지 가능성은 겨울철 저수지에 빗물을 더 많이 모으는 것이다. 예를 들어 지하수 저수지를 인위적으로 개선하거나 지상 저수지를 관리하는 방법을 적용하는 것이다.

올리버 실링(Oliver Schilling) 교수는 “미생물학적 eDNA 분석은 지하수 관리에 사용되는 수문학적 모델을 더 잘 교정할 수 있는 새로운 도구를 제공한다”라면서 “이는 차례로 수질과 가용성에 대한 현실적인 예측을 하는 데 중요한 부분이며, 우리의 가장 가치 있고 풍부한 식수 공급원인 지하수 관리를 위한 지속 가능하고 장기적인 계획을 가능하게 한다”고 강조했다.

[원문보기]

Tracing the flow of water with DNA

Environmental DNA analysis of microbial communities can help us understand how a particular region’s water cycle works. Basel hydrogeologist Oliver Schilling recently used this method to examine the water cycle on Mount Fuji. His results have implications for Switzerland as well.

Where does the water come from that provides drinking water to people in a particular region? What feeds these sources and how long does it take for groundwater to make its way back up to the surface? This hydrological cycle is a complex interplay of various factors. 

A better grasp of the system allows us to understand, for example, why pollution is worse in some spots than others, and it can help us implement sustainable water management policies and practices.

Environmental DNA (eDNA) provides some important data to improve our understanding. In combination with the evaluation of other natural tracers ? noble gases, for example ? this microbial data provides important glimpses into the flow, circulation and functioning of complex groundwater systems. 

“It’s a vast toolbox that’s new to our field of research,” says Oliver Schilling, Professor of Hydrogeology at the University of Basel and at Eawag, the Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology. Quantitative hydrogeology maps out where and how quickly new groundwater will accumulate.

Starting in 2018, Schilling conducted various measurements on Mount Fuji in Japan in order to determine where spring water comes from ? that is, where the groundwater flows through before it arrives back at the surface and forms the hundreds of pristine natural springs which are scattered around Mt Fuji. His results are published in the first edition of the journal Nature Water, which just came out.

Determining water origins from eDNA

The choice of this particular mountain was no coincidence: “The geological setting of Mount Fuji is unique on Earth since it is the only place where three tectonic plates meet up like this. This makes the groundwater system highly complex and therefore poorly suited to investigation using the standard methods,” Oliver Schilling explains.

It was thanks to a Japanese colleague that he arrived at the idea of examining microbial eDNA in the region. “He told me about water sources on Mount Fuji that exhibit noteworthy signatures, namely that the eDNA contained in the water shows the presence of organisms that can only grow at a depth of 500 to 1,000 meters,” he recalls. 

This is an indicator that some of the source water comes from deep groundwater. “This was the first indication that microbial eDNA might provide some clues as to the groundwater’s flow trajectory when combined with other, independent tracers such as noble gases,” Schilling continues.

His curiosity was piqued. During his time as a postdoc at the Universite Laval in Quebec, he traveled to Japan during his vacations and conducted various measurements together with his Japanese colleague. He also delved deep into the existing scientific literature, which is primarily in Japanese. 

Along with eDNA, the hydrogeologist also analyzed two groundwater tracers with higher incidences due to Mount Fuji’s unique geological setting: the noble gas helium and the trace element vanadium. 

“All three natural tracers tell the same story: there is systematic deep circulation of the water within Mount Fuji. Such analyses are the key to understanding the system,” Schilling concludes.

Potential findings for Switzerland, too

This new application of tracers can be used to examine groundwater systems all over the world. In Switzerland, for example, it can be applied to determine where the water comes from that is pumped out of the ground for drinking water. 

“A large proportion of eDNA from cold-loving microbes in the groundwater, for example, would indicate that meltwater from snow and glaciers forms a substantial proportion of the sourced groundwater,” Schilling explains.

With an eye to the future, this means: “If we know the importance of these natural water reserves, we can look for alternatives ahead of time in order to shield affected regions from seasonal water shortages as much as possible,” the hydrogeologist continues. 

As a result of climate change, in Switzerland glaciers are melting and snow is reducing, which means that these important sources of water for streams and groundwater are slowly disappearing. This will negatively affect the water availability particularly in the more and more frequent hot and dry summer months.

One possibility to prevent severe water shortages in summer would be to collect more rainwater in reservoirs during the winter half year, for example by artificially enhancing groundwater reservoirs or adapting how above-ground reservoirs are managed. 

“The analysis of microbiological eDNA offers us a new tool for better calibrating the hydrological models used in groundwater management,” Schilling explains. This in turn is an important part of making realistic prognoses for water quality and availability and allows a sustainable, long-term planning for the management of groundwater - our most valuable and abundant source of drinking water.

[출처=바젤대학(https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/Tracing-the-flow-of-water-with-DNA.html) / 2023년 1월 19일]

[논문출처=『네이처워터(NatureWater)』(https://www.nature.com/articles/s44221-022-00001-4)]