Revisitando los orígenes del agua subterránea del monte Fuji con trazadores de helio, vanadio y ADN ambiental

Nature Water volumen 1, páginas 60–73 (2023)Citar este artículo

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Conocido localmente como la montaña del agua, durante milenios el icónico monte Fuji de Japón ha proporcionado agua potable segura a millones de personas a través de una vasta red de manantiales de agua dulce y subterránea. El agua subterránea, que se recarga a gran altura, fluye por los flancos de Fuji dentro de tres acuíferos basálticos, formando finalmente innumerables manantiales de agua dulce prístinos entre las estribaciones de Fuji. Aquí cuestionamos el modelo conceptual actual de Fuji como un sistema simple de flujo de agua subterránea laminar con poco o ningún intercambio vertical entre sus tres acuíferos. Este modelo contrasta fuertemente con la inestabilidad tectónica extrema de Fuji debido a su ubicación única en la parte superior de la única triple unión continental trinchera-trinchera-trinchera conocida, su compleja geología y sus inusuales comunidades microbianas de agua de manantial. Sobre la base de una combinación única de trazadores de ADN ambiental microbiano, vanadio y helio, proporcionamos evidencia de circulación profunda prevaleciente y una contribución de agua subterránea profunda previamente desconocida a los manantiales de agua dulce de Fuji. El afloramiento de agua subterránea profundo más sustancial se ha encontrado a lo largo de la región tectónicamente más activa de Japón, la zona de falla de Fujikawa-kako. Nuestros hallazgos amplían la comprensión hidrogeológica de Fuji y demuestran el gran potencial de combinar análisis de ADN ambiental, gases nobles in situ y elementos traza para la ciencia de las aguas subterráneas.

Con su forma cónica casi perfecta, el Monte Fuji volcánico de Japón (3.776 m sobre el nivel del mar (ASL)) podría decirse que es la montaña más conocida del mundo1. Conocido localmente como la montaña del agua, durante milenios Fuji ha proporcionado agua potable segura a millones de personas a través de sus abundantes aguas subterráneas y manantiales alimentados por aguas subterráneas. La abundancia de recursos de agua dulce surge de las grandes cantidades de precipitación que se producen debido a la proximidad de Fuji con el Océano Pacífico y el Mar de Japón, y su ubicación única en la parte superior de la triple unión de Fuji, la única triple unión continental trinchera-trinchera conocida en la Tierra2 ,3,4 (Fig. 1). Debido a este entorno geológico único, Fuji se compone principalmente de basalto y es mucho más permeable que otros estratovolcanes de arco, que en su mayoría están compuestos por magmas andesíticos poco permeables5,6,7,8,9,10,11,12,13. Debido a su largo paso a través del basalto14, el agua subterránea de Fuji es muy blanda y está fuertemente enriquecida en vanadio, lo que convierte a los ríos de Fuji en los más enriquecidos en vanadio de la Tierra15,16,17. Fuji es tan importante que tiene el estatus de Patrimonio de la Humanidad de la UNESCO18, con múltiples manantiales designados como Monumentos Naturales nacionales19,20,21.

Arriba a la izquierda: la ubicación de Fuji en la unión triple trinchera-trinchera-trinchera entre las placas de Amur, Okhotsk y el mar de Filipinas en el centro de Japón. Arriba a la derecha: mapa de la cuenca del Fuji, sus cuatro subcuencas (con la subcuenca suroeste resaltada en amarillo), las direcciones generales del flujo de agua subterránea de las subcuencas suroeste y sureste, las principales zonas de fallas, las fallas tectónicas actualmente activas, los sitios muestreados y todos los puntos de datos obtenidos en este estudio o recopilados de la literatura y la base de datos nacional de aguas subterráneas de Japón. Los puntos negros en los símbolos de los sitios muestreados indican las ubicaciones de los análisis de eDNA. Abajo: mapa 3D del monte Fuji orientado hacia el sureste. Se destaca la cuenca de captación de Fuji y se indican los sitios de muestreo y las direcciones generales de flujo de las subcuencas suroeste y sureste. KMFZ = Zona de falla de Kotsu-Matsuda. Sistema de referencia de coordenadas: WGS 84/Pseudo-Mercator. Fuentes de mapas compuestos: imágenes satelitales161; modelo de elevación digital162; mapa de sombreado 3D rojo163,164; ubicaciones de fallas tectónicas activas165; límites de placas y grandes fallas tectónicas43,166,167.

Además de la demanda cada vez mayor de agua por parte de los residentes, los turistas, la industria y la agricultura, se ha desarrollado un microcosmos de industrias alimentarias de primera calidad que producen bienes que dependen en gran medida del agua limpia de Fuji. El área de plantación de té verde más grande de Japón en las laderas del sur y las grandes destilerías de whisky en la ladera del este solo pueden operar debido al suministro consistentemente grande de agua subterránea suave y de alta calidad. Con un éxito cada vez mayor, numerosas empresas embotelladoras de agua ahora venden agua subterránea rica en vanadio bombeada desde las profundidades de Fuji como agua mineral saludable22,23,24. Además, se descubrió que si se usa agua rica en vanadio en la elaboración de sake (nihonshu), se suprimen los compuestos aromáticos rancios no deseados mientras se fomenta el sabor dulce deseado25,26, lo que podría explicar el éxito internacional de las cervecerías de sake de Fuji, ganadoras de premios27,28 .

Aunque Fuji se ha estudiado extensamente y su compleja geología está bien documentada, la calidad y cantidad del agua están disminuyendo y muchas cuestiones hidrogeológicas siguen sin resolverse29,30,31,32,33,34,35. Según los conocimientos actuales, de los 2,2 km3 (o 2.500 mm) de precipitación al año, el 90 % forma recarga de aguas subterráneas7,36. Después de 15 a 40 años (ref. 14), 1,7 km3 emergen cada año en las estribaciones como manantiales, ríos y lagos, mientras que el resto sale de la cuenca como agua subterránea7. Aunque el agua subterránea también fluye a través del acuífero profundo Ko ('viejo')-Fuji, formado durante la etapa volcánica más antigua de Hoshiyama (hace 100–17 kyr (ka)), se cree que los manantiales se alimentan exclusivamente del acuífero más superficial Shin ('nuevo'). )-Acuíferos Fuji y Surficial, originarios de las etapas más jóvenes de Fujinomiya y Subashiri (<17 ka)7,13,17,37,38. Excepto por algunas filtraciones31, el intercambio vertical entre los acuíferos profundos y someros se considera actualmente insignificante7,17,36,39. Sin embargo, este modelo simple no concuerda con la geología compleja de Fuji y no explica la disminución de la calidad del agua29,30,40,41,42.

Aquí presentamos evidencia de una contribución sustancial del agua subterránea profunda de Ko-Fuji a los manantiales a lo largo de la Zona de falla Fujikawa-kako (FKFZ) de Fuji, la región tectónicamente más activa de Japón (Fig. 1)10,43,44,45. Nuestras mediciones de ADN ambiental (eDNA), helio (He) y vanadio (V), junto con una compilación de datos hidroquímicos de muchos estudios anteriores, amplían nuestra comprensión hidrogeológica de Fuji y demuestran el gran potencial de combinar eDNA, gas noble in situ y análisis de elementos traza para la ciencia de las aguas subterráneas.

A pesar de su incapacidad crítica para explicar completamente la reciente disminución de la calidad del agua, todavía se acepta el modelo conceptual simplista del flujo de agua subterránea laminar dentro de Fuji. Los culpables son los métodos clásicos que se han aplicado hasta ahora para comprender la hidrogeología de Fuji, es decir, los niveles de aguas subterráneas poco profundas, los iones principales y los isótopos de agua estables. Estos métodos hidrogeológicos clásicos son los más utilizados y se utilizan normalmente para identificar las direcciones del flujo de agua subterránea, las zonas de recarga y la estacionalidad, y el flujo a través de distintas zonas hidroquímicas. Sin embargo, en los sistemas montañosos donde los niveles de aguas subterráneas poco profundas siguen la topografía, donde prevalece la mezcla física entre los diferentes tipos de agua y las principales composiciones de iones de los diferentes tipos de agua son muy similares, estos métodos clásicos a menudo no permiten una evaluación inequívoca de la recarga y el flujo de las aguas subterráneas. caminos36,46,47.

Como la hidrogeología de Fuji está dominada por gradientes de elevación, los niveles de aguas subterráneas poco profundas siguen la topografía general y no brindan indicios de interacciones verticales entre diferentes acuíferos17,39,48,49. Se sabe que el acuífero profundo de Ko-Fuji es confinado y artesiano, pero se desconoce la distribución de la presión17,29,30,31,39. Las firmas de isótopos de agua estables (es decir, δ2H y δ18O) de arroyos, manantiales y aguas subterráneas caen entre las líneas de agua meteórica local y global (Fig. 2a y Sección complementaria 1), lo que revela un origen meteórico común y un efecto de evaporación uniforme36,50, pero la elevación de la recarga, la estacionalidad y la mezcla física no pueden separarse sobre la base de esas señales51.

a, Composición isotópica estable del agua de los sitios investigados junto con todas las mediciones disponibles de manantiales, pozos de agua subterránea, pozos de agua mineral y cervecería y pozos térmicos profundos; Se indican las elevaciones de recarga derivadas de isótopos de agua estables después de Yasuhara et al.36. Línea de agua meteórica local (LMWL)36: δ2H = 8 × δ18O + 15,1‰. Línea de agua meteórica global (GMWL)51: δ2H = 7,93 × δ18O + 8,99‰. VSMOW, agua de océano media estándar de Viena. b, Diagrama de Piper de la composición de iones principales de todos los datos disponibles sobre manantiales, pozos de agua subterránea, pozos de agua mineral y cervecería, y pozos térmicos profundos. Los campos de tipos de aguas hidroquímicas están separados por líneas discontinuas y marcados por círculos numerados (ver leyenda). Los puntos de datos en ayb representan valores promedio del sitio. Todos los puntos de datos individuales y las referencias correspondientes se proporcionan en forma tabular en Datos complementarios 1.

Los manantiales y las aguas subterráneas alrededor de Fuji son todos fríos (~14,5 °C), frescos (~400 μS cm−1), levemente alcalinos (~7,75 pH) y clasificados como tipo Ca-HCO3. A lo largo de la bahía de Suruga, prevalece el tipo Na–Cl–SO4 debido a la intrusión local de agua de mar17,32,41,42 (Fig. 2b). Solo las aguas subterráneas termales profundas, que se bombean desde el sótano de Fuji desde una profundidad de 1500 m y se utilizan en los balnearios locales (onsen), son ligeramente cálidas (~40 °C), ligeramente alcalinas (~8,75 pH) y mineralizadas (~1 g l− 1). Debido a la gran profundidad y mezcla de inclusiones de agua de mar de la toba verde del sótano de Fuji, esta agua termal se clasifica como Ca–Cl y Na–Cl–SO452,53. Sin embargo, además de las inclusiones de agua de mar en el sótano de Fuji y la intrusión de agua de mar a lo largo de la bahía de Suruga, todas las aguas naturales de la cuenca de Fuji son de origen meteórico52,53. El origen meteórico compartido, el gran rango altitudinal y la similitud hidroquímica de las aguas naturales significan que los métodos clásicos de trazadores empleados tienen una aplicabilidad limitada para diferenciar cuerpos/componentes de agua. En lugar de provocar más investigaciones, estas observaciones fueron ampliamente aceptadas e interpretadas de manera sencilla como el resultado de un sistema de flujo laminar. Sin embargo, esta interpretación oscurece las interacciones verticales potencialmente existentes entre los diferentes acuíferos y, en cambio, fomenta la idea de que Fuji es un sistema de agua subterránea relativamente simple.

Para superar las limitaciones de los métodos clásicos aplicados en la cuenca del Fuji hasta el momento, y para evaluar críticamente el modelo hidrogeológico conceptual rector de Fuji, llevamos a cabo una investigación de trazadores múltiples que combina tres métodos de trazadores nuevos y no convencionales: in situ y de laboratorio. He, V y análisis de eDNA. A continuación, informamos los principales hallazgos para cada marcador, centrándonos en la identificación de la mezcla física basada en las concentraciones de He y V disueltos, y la fracción de eDNA aportada por Archaea específicamente adaptada a las condiciones de las aguas subterráneas profundas. Los datos analíticos se resumen en la Tabla 1 (el conjunto de datos completo se proporciona como Datos complementarios 1 y 2).

Cerca de volcanes y bordes de placas, las concentraciones de He total y las proporciones isotópicas de 20Ne/4He y 3He/4He son trazadores importantes, ya que permiten cuantificar las contribuciones de He atmosférico versus terrigénico, así como la separación entre el manto y el He radiogénico54, 55,56,57,58,59,60,61,62,63,64. Por ejemplo, si en un sistema volcánico y tectónicamente activo como la cuenca del Fuji, el agua subterránea profunda se encontrara enriquecida en el manto de He, esta firma de He puede usarse para detectar las contribuciones del agua subterránea profunda al agua subterránea poco profunda y restringir el origen del agua en el punto muestreado. manantiales de agua dulce.

Tomando las proporciones características 3He/4He y 20Ne/4He del agua saturada de aire (3He/4He = 1,36 × 10−6, 20Ne/4He = 3,741)65, el manto empobrecido (según la muestra de basalto de la dorsal oceánica; 3He /4He = 1,1 × 10−5, 20Ne/4He ≈ 0)55 y corteza continental (3He/4He = 1,5 × 10−8, 20Ne/4He ≈ 0)57 teniendo en cuenta la contribución del manto He se puede calcular: 20 % en las aguas subterráneas profundas de Ko-Fuji del pozo Aoki y el manantial Yoshimaike, 12 % en el manantial Wakutamaike y 5 % en Shiraitonotaki (muestra n.° 1) (Tabla 1 y Fig. 3e,f). Las altas contribuciones de He del manto en Aoki y Yoshimaike se correlacionan con altas concentraciones totales de He (Tabla 1 y Fig. 3d, e). Por lo tanto, los datos de gases nobles sugieren que el agua subterránea profunda de Ko-Fuji está contribuyendo significativamente a los manantiales del sudoeste de Fuji, menos en el extremo norte, río arriba de los abanicos aluviales (Shibakawa, Jimbanotaki, Shiraitonotaki), pero fuertemente en los manantiales ubicados directamente en la FKFZ ( Yoshimaike, Wakutamaike) (Figs. 1 y 3). Aunque la presencia de manto He en los diferentes manantiales podría ser el resultado del afloramiento de aguas subterráneas profundas de Ko-Fuji, también podría ser el resultado de una mezcla directa de gases del manto. Por lo tanto, se requieren trazadores adicionales para confirmar el afloramiento de las aguas subterráneas profundas de Ko-Fuji.

a,b, Mapas de composiciones V (a) y δ18O (b). c, concentraciones de δ18O frente a V. Las elevaciones de recarga hipotéticas (desde δ18O según Yasuhara et al.36) se indican mediante líneas verticales punteadas, suponiendo que no se mezclen aguas de diferentes elevaciones. d, concentraciones medias de He y 40Ar medidas in situ con el nuevo instrumento portátil GE-MIMS133. Las líneas discontinuas negras representan agua saturada de aire (ASW) a 20 °C en las tres elevaciones de recarga principales según Yasuhara et al.36 para la cuenca suroeste. Las líneas punteadas indican adiciones hipotéticas de exceso de aire a ASW a 1.700 m ASL y para 0 °C, 5 °C, 10 °C y 15 °C. Las barras de error indican ±1 sd de la media de todas las mediciones GE-MIMS tomadas en cada sitio. Los números de fechas de muestreo utilizados para cuantificar los valores promedio y las desviaciones estándar por sitio son: A (n = 2), 1 (n = 1), 2 (n = 1), 9 (n = 2), 16 (n = 1 ), 48 (n = 2), 60 (n = 2), 63 (n = 1). GW, agua subterránea. e, 3He/4He frente a 20Ne/4He para muestras obtenidas en este estudio (sitios A, 6, 9 y 10a) junto con mediciones anteriores (sitios 1a96, 1b53, 3a96, 3b53, 796 y 10b102 y datos de pozos profundos onsen53,104,107,111, pozos de agua subterránea53 y fumarolas57) y proporciones isotópicas de miembros finales55,57 (basalto de la dorsal mediooceánica (MORB), corteza continental, producción radiogénica, ASW a 0 °C y ASW a 20 °C). f, Mapa general de las relaciones 3He/4He. TNK, lago Tanuki. FJM, Fujinomiya. Fum, Fumarolas. Para todos los datos y referencias correspondientes, consulte Datos complementarios 1. Sistema de referencia de coordenadas: WGS 84 / Pseudo-Mercator. Fuentes de mapas compuestos de fondo: modelo de elevación digital162; mapa de sombreado 3D rojo163,164; ubicaciones de fallas tectónicas activas165; límites de placas y grandes fallas tectónicas43,166,167. Las líneas discontinuas blancas en a, byf indican las zonas tectónicas FKFZ y KMFZ; Las líneas discontinuas rojas en a, b y f indican fallas tectónicas activas.

El manantial de Wakutamaike exhibió no solo una contribución del 12 % de He del manto, sino también una contribución del 83 % de He radiogénico (Fig. 3e,f), una observación que sugiere una conexión hidráulica con un depósito de agua subterránea completamente diferente. Las concentraciones totales de He también son tres órdenes de magnitud mayores que en cualquier otro manantial muestreado. La firma He es muy similar a la firma del agua termal profunda bombeada cerca del lago Tanuki en la base de la cordillera Misaka-Tenshu (Fig. 3e,f y Sección complementaria 3), lo que sugiere que la compleja red de fallas, fisuras y los clinkers del FKFZ transportan agua subterránea desde las profundidades de las montañas Misaka-Tenshu hasta el manantial Wakutamaike con poca mezcla.

El V disuelto se ha medido en los manantiales, las aguas subterráneas y los ríos de Fuji desde la década de 1960 y se encuentra que está enriquecido y prevalece en forma oxidada como vanadato (V(v)). Debido al alto contenido natural de V del basalto66, la concentración de V en el agua subterránea y los manantiales de Fuji es mucho mayor que en cualquier otro lugar de Japón16,17,67,68,69, lo que hace que los ríos de Fuji sean los más ricos en V de la Tierra15. Si bien la cinética de reacción de V en aguas naturales es difícil de cuantificar debido a la geoquímica altamente compleja del vanadio70,71,72,73,74, en la escala de los tiempos de residencia decenales del agua subterránea de Fuji, las concentraciones de equilibrio probablemente no se alcanzan72,75 y las concentraciones de V pueden se supone que aumenta gradualmente con el tiempo de residencia del agua subterránea. Esta suposición está respaldada por la observación de que las concentraciones de V no han alcanzado una meseta (Fig. 3c). Por lo tanto, si se encuentra que un manantial está significativamente enriquecido en V en comparación con las aguas subterráneas poco profundas locales, la causa más probable del enriquecimiento es el afloramiento de aguas subterráneas profundas con sus tiempos de residencia significativamente más largos.

Las concentraciones de vanadio exhiben patrones similares a los isótopos de agua estables y los iones principales, con concentraciones de δ18O y V que se correlacionan casi perfectamente y aguas más ligeras, que se recargan a elevaciones más altas, mostrando concentraciones de V más grandes (Tabla 1, Fig. 3a-c y Sección complementaria 2) . Los manantiales en general contienen menos V y son isotópicamente más pesados ​​que el agua subterránea (Fig. 3a–c), lo que confirma que la mayoría de los manantiales son alimentados por aguas subterráneas poco profundas de los acuíferos Surficial y Shin-Fuji, que generalmente se caracterizan por elevaciones de recarga bajas y tiempos de residencia cortos14, 17,37. Las concentraciones de vanadio también se correlacionan positivamente con las concentraciones de He; es decir, las aguas ricas en He tienden a estar enriquecidas en V. Con una concentración de 221,0 μg l−1, el agua subterránea profunda de Ko-Fuji muestreada en el pozo Aoki es el agua más enriquecida en V encontrada alrededor de Fuji, lo que respalda la suposición de el muy largo tiempo de residencia de las aguas subterráneas de Ko-Fuji en el pie suroeste de Fuji. Sorprendentemente, con una concentración de 87,5 μg l-1, el manantial Yoshimaike contiene significativamente más V que todos los demás manantiales en la subcuenca suroeste. Aunque la correlación entre las concentraciones elevadas de V y He en los manantiales es un argumento sólido para el afloramiento sustancial de aguas subterráneas profundas de Ko-Fuji, las concentraciones elevadas de V en los manantiales también pueden surgir de mayores tiempos de residencia debido a trayectorias de flujo más largas o zonas de conductividad hidráulica reducida dentro del acuíferos poco profundos en sí mismos. Por lo tanto, se requiere otro trazador independiente para confirmar completamente la existencia de un afloramiento sustancial de aguas subterráneas profundas.

Pioneros en la investigación del eDNA microbiano en aguas alrededor de Fuji, Segawa et al.34 identificaron una posible relación entre la presencia de procariotas termófilos y las vías de flujo de aguas subterráneas profundas a través del acuífero Ko-Fuji en la subcuenca suroeste de Fuji. Más tarde, Sugiyama et al.35 confirmaron que los procariotas extremófilos candidatos son organismos fundamentales en el acuífero de Ko-Fuji, y observaron que un evento de lluvia torrencial inducido por un tifón resultó en un aumento sustancial de las concentraciones de Archaea suspendidas en el pozo Aoki. Revisando los datos de eDNA de Sugiyama et al.35, encontramos que los miembros de Parvarchaea son las Archaea dominantes en las aguas subterráneas de Fuji; específicamente, los dos órdenes candidatos no cultivados YLA114 y WCHD3-30, que se recuperan principalmente de ambientes extremos76,77 (Tabla 1; se proporciona una filogenia detallada en la Sección complementaria 4). Aunque el número total de Archaea en suspensión aumentó durante el evento de lluvia torrencial inducido por el tifón, las contribuciones relativas de WCHD3-30 y YLA114 disminuyeron, lo que indica que WCHD3-30 y YLA114 viven principalmente en suspensión en lugar de adheridos a la matriz del acuífero, y que sus contribuciones relativas se reducen cuando los gradientes hidráulicos aumentados conducen a un mayor desprendimiento de Archaea que viven adheridas a la matriz en condiciones hidráulicas normales. Esta propiedad hace que tanto WCHD3-30 como YLA114 sean trazadores potenciales de afloramiento de aguas subterráneas profundas en aguas subterráneas poco profundas y manantiales en la cuenca de Fuji, incluso en condiciones hidráulicas normales. Dado que las condiciones ambientales que permiten el desarrollo de estas Archaea específicas hasta ahora se han encontrado alrededor de Fuji solo a grandes profundidades17,52,78,79, la presencia del ADN de estas formas de vida microbiana en los manantiales probablemente sea indicativa de un rápido afloramiento de una cantidad significativa de aguas subterráneas profundas de Ko-Fuji, ya que de otro modo este ADN específico no existiría o se degradaría (en el caso de un afloramiento marginal o lento de aguas subterráneas profundas).

Para confirmar el vínculo previamente identificado entre la presencia de estos procariotas específicos y las condiciones ambientales prevalecientes en las aguas subterráneas profundas de Ko-Fuji34,35, y para permitir la comparación entre He, V y eDNA disueltos, también determinamos el eDNA microbiano presente en muestras de agua de los manantiales investigados y el pozo Aoki. Esto reveló que Parvarchaea representa el 95% de todo el eDNA de arqueas presente en el agua subterránea de Ko-Fuji del pozo Aoki (Tabla 1 y Sección complementaria 4). Mientras que en el más arriba de los manantiales del sudoeste muestreados (Shibakawa), Parvarchaea representa solo el 20% del eDNA de las arqueas, este porcentaje aumenta gradualmente en dirección río abajo y alcanza el 80% en el manantial Yoshimaike. Las parvarchaea también son las arqueas más importantes de Tomizawa (77 %), un manantial del sudeste río arriba que emerge al pie del monte Ashitaka, y también están presentes en niveles significativos (aunque no tan dominantes) en Kakitagawa (37 %), el más grande y más río abajo. manantial de la subcuenca sureste (Fig. 1). La clara distribución espacial de estas Parvarchaea (es decir, su abundancia comparativamente alta en los manantiales aguas abajo en las subcuencas sudoccidental y sudoriental) constituye un sólido argumento a favor del aumento espacial del afloramiento de aguas subterráneas profundas de Ko-Fuji en la dirección aguas abajo, particularmente a lo largo de la FKFZ. Sin embargo, a pesar de que los patrones de eDNA de las arqueas concuerdan con los patrones en las concentraciones de He y V, solo una comparación sistemática entre estos tres trazadores diferentes y completamente independientes permitiría excluir la posibilidad de que esas Parvarchaea crezcan localmente en manantiales en niveles significativos y proporcionar una prueba de que Ko- El agua subterránea profunda de Fuji es de hecho una surgencia.

Para identificar si los tres trazadores independientes indican un afloramiento sustancial de aguas subterráneas profundas de Ko-Fuji en los manantiales a lo largo de la FKFZ, se comparan directamente en cuatro parcelas de trazadores triples (Fig. 4). La comparación de las concentraciones de V y He disueltos con las fracciones de eDNA archaeal aportadas por YLA114 (Fig. 4a) y por YLA114 + WCHD3-30 (Fig. 4b) revela que los tres trazadores están correlacionados casi linealmente. La correlación casi lineal prevalece si las concentraciones de V y He se comparan con la diversidad alfa de Archaea (Fig. 4c). Dado que los tres tipos de trazadores tienen orígenes biogeoquímicos completamente diferentes, la única explicación plausible para la correlación casi lineal, dado el conocimiento actual del sistema, son los procesos físicos de mezcla (surgencia y aumento de la mezcla en la dirección aguas abajo) del agua subterránea profunda de Ko-Fuji en los acuíferos poco profundos y los manantiales de agua dulce de Fuji.

a–b, correlaciones de triple trazador entre V, He y eDNA de arqueas aportadas por YLA114 + WCHD3-30 (a) y solo por YLA114 (b). c, Triple correlación de trazadores entre V, He y la diversidad alfa de Archaea. d, Triple correlación de trazador entre V, Na+ y la diversidad alfa de Archaea (d). Las concentraciones representan medidas tomadas en el sitio con el nuevo instrumento portátil GE-MIMS. STP, temperatura y presión estándar (T = 0 °C, P = 1 atm). H′A es el índice de diversidad de Shannon160,168 evaluado para Archaea. Los datos de Fujinishiki en d representan datos del pozo de la cervecería Fujinishiki (identificación del sitio: F1), excepto la concentración de Na+, que representa la concentración promedio de Na+ medida en el manantial de Fujinishiki (identificación del sitio: 7) ubicado junto al pozo de la cervecería Fujinishiki.

La triple correlación de trazadores identificada entre He, V y eDNA de arqueas extremófilas, en combinación con las correlaciones casi lineales entre V y δ18O, las concentraciones de He y las proporciones de 3He/4He y la abundancia relativa de las órdenes de Archaea YLA114 y WCHD3-30, brindan resultados sorprendentes. fuerte evidencia de afloramiento generalizado y mezcla de aguas subterráneas profundas de Ko-Fuji en los manantiales y acuíferos poco profundos de Fuji. La tasa de afloramiento de aguas subterráneas profundas es mucho mayor de lo que se suponía anteriormente, particularmente en la subcuenca suroeste más densamente poblada. El modelo hidrogeológico actualmente aceptado, que postula una mezcla vertical insignificante o nula entre las diferentes masas de agua subterránea, es incompatible con los nuevos datos de seguimiento y, por lo tanto, debe revisarse. Proponemos un modelo de flujo hidrológico conceptual revisado de Fuji que asume explícitamente un afloramiento sustancial de aguas subterráneas profundas de Ko-Fuji a lo largo de las fallas, fisuras y clinkers de la FKFZ, que son el resultado de la compleja dinámica de subducción de la unión triple de Fuji (Fig. 5) . Además de estas vías de interacción, identificamos una mezcla previamente desconocida de agua subterránea profunda tipo Misaka-Tenshu enriquecida con He en el manantial Wakutamaike. El manantial Wakutamaike, coincidentemente, es el manantial sagrado del santuario Fujisan Hongu Sengen Taisha, declarado Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO y uno de los santuarios más importantes de Japón.

El modelo hidrogeológico conceptual revisado del Monte Fuji (revisado en base a modelos conceptuales publicados previamente7,17,36,42,169) muestra una sección transversal norte-suroeste que sigue la FKFZ e ilustra las interacciones verticales prevalecientes entre los tres acuíferos principales diferentes (Superficial, Shin-Fuji y Ko-Fuji) y los orígenes del agua de manantial resultantes. También se ilustra la contribución del agua subterránea profunda de Misaka-Tenshu al manantial sagrado de Wakutamaike. Las flechas azules indican agua subterránea poco profunda, las flechas rojas agua subterránea Ko-Fuji y las flechas amarillas flujo de agua subterránea Misaka-Tenshu. Fuentes de mapas compuestos de fondo: modelo de elevación digital162; mapa de sombreado 3D rojo163,164.

Si bien las observaciones del nivel del agua subterránea y los indicadores hidrológicos clásicos, como los iones principales y las composiciones de isótopos estables del agua del agua subterránea y de manantial, pueden brindar información valiosa sobre los sistemas hidrogeológicos, no pueden detectar el intercambio vertical entre los diferentes acuíferos del monte Fuji. Aunque se aplican ampliamente, tienen un uso limitado en muchos entornos complejos, ya que los marcadores clásicos a menudo se confunden con las interacciones con la matriz del acuífero, que generalmente consiste en gran parte del mismo material y, por lo tanto, armoniza la composición química de diferentes aguas, o por zonas de recarga que superposición, que armonizan las composiciones de isótopos de diferentes aguas. Al combinar múltiples trazadores clásicos y no convencionales, a saber, análisis in situ de gases (nobles) disueltos, análisis de laboratorio de isótopos de gases nobles, secuenciación de próxima generación de eDNA microbiano y análisis de elementos traza, todos los cuales son trazadores que reaccionar específicamente a la variedad de trayectorias de flujo y procesos que se pueden esperar en un sistema volcánico como la cuenca del Fuji, y permitirnos desenredar y, por lo tanto, rastrear las aguas que están sujetas a mezclas físicas; no solo superamos las limitaciones principales de los métodos clásicos , pero también demostró un claro camino a seguir para la ciencia de las aguas subterráneas.

En conclusión, los avances en las técnicas analíticas en hidrología y microbiología de trazadores nos permitieron comprender la hidrogeología compleja del sistema volcánico de aguas subterráneas de Fuji e identificar surgencias previamente desconocidas de aguas subterráneas profundas en manantiales de agua dulce y aguas subterráneas poco profundas. La combinación de He, V y firmas microbianas de eDNA no solo amplía la comprensión hidrogeológica de Fuji, sino que también muestra el gran potencial de combinar trazadores no convencionales para estudiar sistemas hidrogeológicos complejos.

Como resultado de su ubicación directamente en la parte superior de la unión triple entre las placas del mar de Ojotsk, Amur y Filipinas, los eyecciones del monte Fuji consisten principalmente en basalto con alto contenido de alúmina y cenizas volcánicas, a diferencia de la composición andesítica que la mayoría de los otros estratovolcanes ubican en el Expulsión del arco Izu-Bonin-Mariana6. La composición basáltica proporciona evidencia de que el reservorio de magma de Fuji se encuentra a gran profundidad (>20 km)6,11,12,80,81,82,83,84. Fuji consta de cuatro volcanes que crecieron uno encima del otro: Pre-Komitake (270–160 ka), Komitake (160–100 ka), Ko-Fuji (100–10 ka) y Shin-Fuji (10 ka hasta el presente) 1,6,38,81,85,86. Los depósitos de la etapa volcánica Hoshiyama tardía (100–17 ka) y los depósitos de las etapas Fujinomiya y Subashiri (<17 ka)9,13,17,31,35,37,39,87,88,89 son de relevancia hidrogeológica . Los depósitos de Hoshiyama tardío consisten en lava basáltica, ceniza volcánica y los respectivos flujos de lodo, y albergan el acuífero profundo de Ko-Fuji. El acuífero Ko-Fuji está confinado en la parte superior por depósitos de flujo de lodo en gran parte impermeables (conductividades hidráulicas entre 10−6 m s−1 (horizontal) y 10−8 m s−1 (vertical); ref. 42), rocas piroclásticas y suelo negro Fuji del etapa final de Hoshiyama e inicial de Fujinomiya6,9,17,37,38,81,85,90. La conductividad hidráulica estimada del acuífero Ko-Fuji está en el rango de 10−5–10−7 m s−1 (refs. 9, 39, 42, 91). Los depósitos en etapa de Funjinomiya y Subashiri albergan el acuífero superficial Shin-Fuji, que consta de múltiples capas de lava basáltica que forman una red compleja y altamente conductora de material poroso, fisuras y escorias7,17,31,37. Los depósitos de ceniza volcánica y arena y grava aluviales más recientes de la etapa Subashiri rematan la estratigrafía hidrogeológica al albergar el acuífero Surficial más alto31. Las conductividades hidráulicas estimadas de los acuíferos Shin-Fuji y Surficial son 10−2−10−5 m s−1 (refs. 9, 39, 42, 91). Debajo, el sistema hidrogeológico descrito de Fuji está limitado por un cuerpo de sótano de aproximadamente 10 km de espesor del grupo Misaka-Tenshu, que consiste en andesita basáltica submarina impermeable y material piroclástico52. La FKFZ, la estructura tectónicamente más activa de Japón, está ubicada a lo largo del pie oeste y suroeste de Fuji y pasa por la ciudad de Fujinomiya10,43,44,45. Estas fallas tectónicas activas se caracterizan por redes complejas de fisuras y clínker, que podrían permitir que el agua subterránea, los solutos y las partículas pequeñas se transporten de forma no laminar y dificultar la identificación de sus rutas de flujo. Las propiedades hidrogeológicas de la FKFZ, así como su efecto sobre la dinámica de las aguas subterráneas y las rutas de flujo, no se han investigado sistemáticamente y, si bien geológicamente se entiende relativamente bien45, su comportamiento hidrogeológico seguía siendo desconocido antes de nuestro estudio.

En la cumbre de Fuji, la temperatura media anual del aire es de -6,4 °C y la temperatura media durante el mes más cálido (agosto) es de 6,0 °C (ref. 92). La precipitación anual oscila entre 1.600 y 2.000 mm, según la orientación9,93. Las nevadas se producen durante todo el año y ascienden a un total anual de 3 m en la cumbre92. Estas condiciones hidrológicas invernales sostienen una capa de permafrost cerca de la cumbre, lo que evita efectivamente cualquier infiltración en el subsuelo36,94. Sin embargo, las condiciones están cambiando lentamente como resultado del cambio climático (por ejemplo, las temperaturas máximas medias durante los meses de verano han aumentado 2 °C durante los últimos 50 años y la línea de árboles está ascendiendo95). De los 2,2 km3 de precipitación que caen sobre Fuji cada año, 2 km3 se infiltran y forman aguas subterráneas que alimentan los tres acuíferos de Fuji (los acuíferos Surficial, Shin-Fuji y Ko-Fuji). Luego, el agua subterránea fluye por los flancos de Fuji y, después de 2 a 4 décadas14,96, 1,7 km3 emergen nuevamente cada año en las colinas, alimentando innumerables manantiales, ríos y lagos37,39,49,52. Los 0,3 km3 restantes salen de la cuenca como aguas subterráneas regionales (por ejemplo, hacia el valle del río Katsura en el norte) o como descargas submarinas de aguas subterráneas (hacia Suruga Bay al sur33).

Según los isótopos de agua estables, la recarga de agua subterránea en Fuji ocurre en tres elevaciones diferentes: por encima de los 2000 m ASL (zona superior), entre 1100 y 2000 m ASL (zona intermedia) y por debajo de 1100 m ASL (zona de manantial)9,17,36, 50 La recarga en la subcuenca suroeste ocurre principalmente entre 1600 y 2250 m ASL, y la mayor parte de la recarga tiene lugar en la zona intermedia y alimenta al acuífero Shin-Fuji36. Si bien la zona superior tiene poca importancia para la recarga masiva de aguas subterráneas, es la principal zona de recarga del acuífero de Ko-Fuji36. La zona de manantiales se caracteriza por (1) la aparición de una gran cantidad de agua subterránea en los innumerables manantiales de agua dulce ubicados al final de la formación de lava Shin-Fuji, (2) intercambios dinámicos entre manantiales, arroyos, ríos y aguas subterráneas poco profundas, y (3) uso agrícola, urbano e industrial del agua. A diferencia de muchas regiones de Japón, los manantiales naturales de Fuji son exclusivamente manantiales de agua fría, y los spas que se anuncian como "aguas termales" (onsen) alrededor de Fuji bombean su agua desde el sótano de Fuji a una profundidad relativamente uniforme de 1500 m.

Fuji también se conoce como la montaña de agua en Japón y es bien conocido por sus manantiales y aguas subterráneas prístinas y abundantes. Debido a su largo tiempo de residencia en las rocas basálticas, los manantiales y el agua subterránea de Fuji son muy blandas (es decir, sin carbonatos) y naturalmente enriquecidas en V, lo que hace que el agua sea importante para el cultivo del té verde y la producción de agua mineral saludable, whisky y sake15,16 ,17,22,23,25,26,27,28,97. Sin embargo, la calidad y la abundancia del agua de Fuji han disminuido constantemente durante las últimas décadas, lo que ha dado lugar a que la región alrededor de Fuji no haya recibido la designación de sitio del Patrimonio Natural Mundial de la UNESCO prevista originalmente por la UNESCO y, en cambio, 'solo' una denominación de sitio del Patrimonio Cultural Mundial de la UNESCO, como los requisitos ambientales para los primeros eran demasiado estrictos29. La disminución de la calidad y cantidad del agua de Fuji se relaciona principalmente con la disminución constante de los niveles de las aguas subterráneas y del lago debido al bombeo excesivo, la contaminación generalizada de las aguas subterráneas debido a la industria y la producción de papel, el aporte excesivo de nutrientes (por ejemplo, nitrato) del cultivo de té verde, aumento de la temperatura del agua y cambios en el ciclo hidrológico debido al cambio climático, y vertidos ilegales de residuos1,18,29,30,31,39,98. En este contexto, la región más afectada es el área urbanizada que rodea a Fujinomiya, que se ve afectada por la industria, las grandes plantaciones de té verde en las laderas cuesta arriba y la FKFZ (Fig. 1), dentro de la cual la dinámica del agua subterránea solo se comprende vagamente17,34 ,35,99. Debido a que la noción conceptual de flujo de agua subterránea puramente laminar persistió y condujo a la incapacidad de cerrar el balance hídrico local de la cuenca del Fuji, importantes vías y flujos de agua subterránea permanecieron sin identificar29,30. Sin embargo, comprender las vías y los campos de flujo asociados es una condición previa para prevenir y gestionar la contaminación de las aguas subterráneas y los manantiales.

Si bien presentamos datos para toda la cuenca del Fuji, nuestro enfoque se centró en identificar los orígenes del agua en los manantiales de agua dulce a lo largo del pie suroeste del Fuji, ya que es la región más afectada por la agricultura y la industria, mientras que al mismo tiempo siendo el tiempo el más complejo hidrogeológicamente debido a la FKFZ. Los manantiales y los pozos artesianos de agua subterránea investigados son características hidrológicamente importantes y están todos ubicados a lo largo de las principales direcciones de flujo de agua subterránea en la subcuenca suroeste (dirección del flujo: manantial Shibakawa, manantial Sugita, manantial Jimbanotaki, manantial Shiraitonotaki, pozo artesiano de la cervecería de sake Fujinishiki, Aoki pozo artesiano, manantial Yoshimaike, manantial Wakutamaike; Fig. 1). Muchos de los sitios se asientan directamente sobre la FKFZ, donde se espera que la dinámica del agua subterránea entre los diferentes acuíferos, manantiales y cuerpos de agua superficiales sea muy compleja. Por ejemplo, en respuesta al terremoto Mw 5.9 East Shizuoka en marzo de 2011, que a su vez fue provocado por el gran terremoto Mw 9 Tohoku Oki, varios manantiales y pozos de agua subterránea se desbordaron30,43,44,100,101. Para completar una comprensión regional de la dinámica de las aguas subterráneas, también se investigaron tres manantiales importantes de la subcuenca sureste (dirección del flujo: manantial Mishuku, manantial Tomizawa, manantial Kakitagawa; Fig. 1). La Tabla 2 enumera los diferentes análisis de trazadores disponibles para estos sitios e incluye nuestras mediciones, así como datos más antiguos disponibles en la literatura.

Recopilamos nuestras mediciones y los datos de la literatura disponible en un conjunto de datos hidrogeológicos sobre la cuenca del Fuji, que abarca más de 350 sitios y más de 9500 puntos de datos individuales7,14,17,31,34,35,37,41,48,52,53,57 ,87,88,96,97,99,102,103,104,105,106,107,108,109,110,111,112,113,114,115,116. Todos los sitios para los que había datos hidroquímicos disponibles que abordamos aquí están marcados en la Fig. 1. El conjunto de datos completo se proporciona como Datos complementarios 1, excepto los datos filogenéticos basados ​​en eDNA microbiano, que se proporcionan como Datos complementarios 2.

Para el análisis de isótopos de agua estables y de iones principales, las muestras se filtraron con un filtro Millex-GS de 0,22 μm (Merck Millipore) y se almacenaron a -20 °C y 4 °C, respectivamente, antes del análisis. Las principales composiciones de iones se analizaron en la Universidad de Shizuoka utilizando un cromatógrafo de iones Dionex ICS-3000 (Thermo Fisher). Los isótopos de agua estables fueron analizados por Shoko Science Co Ltd (usando un espectrómetro de anillo descendente de cavidad Picarro L2120-I, Picarro, Inc.), normalizados al VSMOW e informados en notación δ117 (los errores analíticos típicos son ±0.2‰ para δ2H y ± 0,05‰ para δ18O).

Debido a su baja abundancia y muy diversas concentraciones y proporciones isotópicas en diferentes rocas y minerales, las concentraciones de V y los isótopos de Sr son poderosos trazadores geoquímicos del flujo de aguas subterráneas y aproximaciones de los tiempos de residencia de las aguas subterráneas118,119. El vanadio en el agua subterránea se origina a partir de rocas alcalinas en contacto con agua oxidada y se encuentra que aumenta con los tiempos de residencia del agua subterránea16,70,71,120. La disolución de vanadio es geoquímicamente similar al enriquecimiento de Sr en el agua subterránea. En hidrología de aguas subterráneas, la relación isotópica 87Sr/86Sr se emplea ampliamente como marcador para seguir los intercambios con diferentes rocas y minerales119,121,122,123,124. Como los procesos de intercambio agua-roca dependen del tiempo, las concentraciones de V y las proporciones de 87Sr/86Sr tienden a correlacionarse con los tiempos de residencia del agua subterránea y (bajo ciertas limitaciones) pueden ser indicativos de los mismos46,51,125.

Las muestras de agua de vanadio se filtraron con un filtro Millex-GS de 0,22 μm (Merck Millipore) y se acidificaron a un pH inferior a 2 con ácido nítrico. Los filtros se lavaron con ácido clorhídrico al 10 % y ácido nítrico 0,1 M antes de su uso. Las concentraciones de vanadio se analizaron utilizando un espectrofotómetro de absorción atómica Zeeman Z-3700 polarizado (Hitachi High-Tech) en la Universidad de Shizuoka después de la dilución con ácido nítrico 0,1 M al 10% (error analítico típico ±4%). Las relaciones isotópicas de estroncio se tomaron exclusivamente de la literatura.

Las concentraciones de gases nobles disueltos y sus proporciones isotópicas se han empleado como trazadores de aguas subterráneas en muchos contextos hidrogeológicos, que van desde la reconstrucción de la paleotemperatura, la cuantificación del exceso de aire, la identificación de la elevación de la recarga y la cuantificación de la mezcla de aguas de diferentes orígenes55,126,127,128,129,130,131,132.

Los análisis de gases disueltos (nobles) in situ se llevaron a cabo utilizando espectrometría de masas de entrada de membrana en equilibrio de gases (GE-MIMS)133. GE-MIMS permite la medición simultánea de gases inertes y reactivos (He, 40Ar, 84Kr, N2, O2, CO2, H2 y CH4) en aire y disueltos en agua directamente in situ, casi en tiempo real (análisis completo ~15 min) y con una incertidumbre analítica típica de ±1–3% (ref. 133). Para los análisis de gas disuelto, se bombeó agua subterránea a través de un contactor de membrana de flujo continuo (G542 Liqui-Cel MiniModule, 3 M) a aproximadamente 2 l min−1 usando una bomba peristáltica. Los gases extraídos se transfirieron posteriormente a través de un capilar de acero inoxidable de 10 m a un espectrómetro de masas de cuadrupolo (RGA 200, Stanford Research Systems) para la detección final. Para 40Ar, N2, O2 y CO2, que son más abundantes, cada punto de datos representa el promedio de cinco mediciones individuales tomadas durante un período de aproximadamente 2 minutos, con errores estándar aproximados por la desviación estándar de estas cinco mediciones. Para los gases comparativamente menos abundantes 4He, 84Kr y CH4, cada punto de datos representa el promedio de 15 mediciones individuales tomadas durante un período de aproximadamente 4 minutos, con errores estándar aproximados por la desviación estándar de estas 15 mediciones. Para obtener más detalles experimentales, consulte las refs. 133, 134. Los datos de espectrometría de masas se procesaron utilizando el paquete ruediPy (v2019)135 en Python (v3.8)136.

Se llevaron a cabo análisis de isótopos de gases nobles de alta resolución en muestras de aproximadamente 25 g de agua recolectadas en tubos de cobre126 en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich siguiendo protocolos estándar (ver ref. 137; los errores analíticos típicos son <1% para He y Ne concentraciones y <0,5% para proporciones isotópicas). Como el protocolo estándar de Beyerle et al.137 emplea la relación atmosférica estándar de 3He/4He (Ra) de 1,384 × 10-6 determinada por Clarke et al.138, las pocas relaciones 3He/4He disueltas basadas en la literatura (R) informados en el formato R/Ra se convirtieron al formato 3He/4He sobre la base de esta relación.

Los microorganismos se han utilizado de forma intensiva para estudiar procesos biogeoquímicos en aguas superficiales y subterráneas, pero solo unos pocos estudios han utilizado microorganismos para estudiar procesos físicos como las vías de flujo de aguas subterráneas o la mezcla de aguas subterráneas139,140,141,142. Sin embargo, recientemente ha mejorado la comprensión conceptual del movimiento de los microorganismos en las aguas subterráneas, y ahora se reconoce más ampliamente que los microorganismos pueden viajar distancias considerables35,143,144 y pueden sobrevivir durante años145. Estos aspectos hacen que los microorganismos sean trazadores prometedores del flujo de agua subterránea en escalas espaciales y temporales relevantes. Además, la secuenciación de próxima generación ahora permite identificar la composición filogenética y las funciones de las comunidades microbianas sobre la base del análisis del eDNA microbiano presente en muestras de agua de una manera asequible, cuantitativa y altamente eficiente146.

En este estudio, se recogieron muestras de agua para el análisis de eDNA microbiano filtrando 10 l de agua con filtros Sterivex-GV de 0,22 μm (EMD Millipore). La extracción de ADN se llevó a cabo en la Universidad de Shizuoka utilizando protocolos estándar147, mediante los cuales las células procarióticas se lisaron primero de las unidades de filtro Sterivex-GV de 0,22 μm mediante la adición de una solución de lisozima y proteinasa K. A continuación, se extrajo el ADN a granel utilizando un filtro de fenol, cloroformo y alcohol isoamílico. mezcla148 y posteriormente determinada cuantitativamente por espectrofotometría utilizando un espectrofotómetro NanoVue (GE Healthcare UK Ltd). La amplificación y la secuenciación fueron realizadas por Bioengineering Lab Co. Ltd. En una PCR de dos pasos, las regiones hipervariables V3–V4 del gen 16S rRNA bacteriano y arqueal se amplificaron utilizando el par de cebadores universales 341F/805R. En el primer paso de la PCR, se utilizó el par de cebadores 1st-341f_MIX (5′-ACACTCTTTCCCTACACGACGCTCTTCCGATCT-NNNNN-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′)/1st-805r_MIX (5′-GTGACTGGAGTTCAGACGTGTGCTCTTCCGATCT-NNNNN-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3′) y, después de la purificación del productos de PCR, en un segundo paso de PCR se utilizó el par de cebadores 2ndF (5′-AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACAC-ACACTCTTTCCCTACACGACGC-3′)/2ndR (5′-CAAGCAGAAGACGGCATACGAGAT- GTGACTGGAGTTCAGACGTGTG-3′)149,150,151. Las bibliotecas de muestras para la secuenciación de última generación con MiSeq (Illumina Inc.) se prepararon con el MiSeq Reagent Kit v3 (Illumina Inc.), siguiendo los protocolos del fabricante. La secuenciación de amplicón se realizó mediante secuenciación de extremo emparejado (2 × 300 pb) en la plataforma MiSeq. Las unidades taxonómicas operativas se agruparon en un nivel de similitud del 97 % utilizando QIIME 2152,153 y se asignaron sobre la base de secuencias representativas en comparación con la base de datos GreenGenes (v13.8)154,155. Los patrones en la estructura de la comunidad microbiana se exploraron utilizando el paquete phyloseq (v1.30.00)156 en R (v3.6.2)157. Los conjuntos de datos de secuencias de nucleótidos obtenidos en este estudio se han archivado en el Banco de datos de ADN de Japón (DDBJ) con el número de acceso DRA013474.

Los recuentos directos totales de células microbianas (un método rápido para la cuantificación de microorganismos tanto cultivables como no cultivables en muestras ambientales) se realizaron en la Universidad de Shizuoka siguiendo procedimientos estándar158. Se recogió una muestra de agua de 100 ml en un filtro Nuclepor de 0,2 μm (GE Healthcare UK Ltd) y se fijó con formaldehído de pH neutro. A continuación, las células procariotas capturadas en el filtro se tiñeron con 0,01 μg ml−1 de 4′,6-diamidino-2-fenilindol fluorescente (Nacalai Tesque Inc.) y se contaron ópticamente (utilizando un microscopio de epifluorescencia BX51-FLA equipado con una cámara DP71 ( Olimpo)).

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de Nature Portfolio vinculado a este artículo.

Todos los datos utilizados en este estudio se compilan en los Datos complementarios 1 y 2 y están disponibles a través del repositorio de datos públicos HydroShare en https://doi.org/10.4211/hs.4eac370d12e142b5aa718e5deb57da39 (ref.159). Los conjuntos de datos de secuencias de nucleótidos obtenidos en este estudio están archivados en el Banco de datos de ADN de Japón (DDBJ) con el número de acceso DRA013474. A menos que se indique lo contrario, los datos hidrogeoquímicos y de fondo del mapa se obtuvieron con el navegador web de código abierto Mozilla Firefox (v.68-v98), los mapas se generaron con el sistema de información geográfica de código abierto QGIS (v3.6-v3.18) y los datos fueron procesados ​​con Microsoft Office (v2016-v2019) para Mac.

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Descargar referencias

Damos las gracias a A. Lightfoot, S. Giroud, K. Mori, N. Murai, M. Tsujimura y U. Tsunogai de asistencia técnica. OSS agradece la financiación proporcionada por la Swiss National Science Foundation (SNSF) a través de la subvención número P2NEP2_171985 durante parte de este estudio, y PB reconoce la financiación recibida a través de la subvención del proyecto SNSF número 200021_179017. Este estudio también fue apoyado por el Programa de Investigación y Desarrollo de Tecnología de Obras Fluviales del Ministerio de Tierras, Infraestructura, Transporte y Turismo de Japón.

Hidrogeología, Departamento de Ciencias Ambientales, Universidad de Basilea, Basilea, Suiza

OS Schilling y Y. Tomonaga

Departamento de Recursos Hídricos y Agua Potable, Eawag – Instituto Federal Suizo de Ciencias y Tecnologías Acuáticas, Dübendorf, Suiza

OS Schilling, MS Brennwald, Y. Tomonaga y R. Kipfer

Centro de Hidrogeología y Geotermia, Université de Neuchâtel, Neuchâtel, Suiza

OS Schilling y P. Brunner

Departamento de Geociencias, Universidad de Shizuoka, Shizuoka, Japón

K. Nagaosa, R. Sohrin y K. Kato

Departamento de Geología e Ingeniería Geológica, Université Laval, Quebec, Quebec, Canadá

TU Chelín

Entracers GmbH, Dübendorf, Suiza

Y. Tomonaga

Instituto de Biogeoquímica y Dinámica de Contaminantes e Instituto de Geoquímica y Petrología, Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich (ETHZ), Zúrich, Suiza

R. Kipfer

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OSS, KK, PB y RK concibieron el estudio. OSS, KN, KK, TUS, YT y MSB diseñaron y realizaron los experimentos de muestreo de campo. OSS, NK, RS, YT y MSB realizaron los análisis de laboratorio. OSS recopiló datos de la literatura, preparó las bases de datos, procesó y analizó los datos, preparó figuras y tablas y escribió el manuscrito. OSS, RK, YT, MSB, PB y KK editaron el manuscrito.

Correspondencia a OS Schilling.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Water agradece a Daniele Pinti y a los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Figs suplementarias. 1 y 2, Resultados y Discusión.

Conjunto de datos hidrogeoquímicos del monte Fuji.

Conjunto de datos de eDNA microbiano de aguas subterráneas y manantiales del monte Fuji.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Schilling, OS, Nagaosa, K., Schilling, TU et al. Revisando los orígenes del agua subterránea del monte Fuji con helio, vanadio y trazadores de ADN ambiental. Agua natural 1, 60–73 (2023). https://doi.org/10.1038/s44221-022-00001-4

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Recibido: 08 Abril 2022

Aceptado: 10 de octubre de 2022

Publicado: 19 enero 2023

Fecha de emisión: enero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-022-00001-4

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