Establishing a nitrogen dynamics model that contributes to the fundamental solution of the groundwater nitrate-nitrogen pollution

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22H00563
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 細野 高啓 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (30367065)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中川 啓 長崎大学, 水産・環境科学総合研究科(環境), 教授 (90315135) ; 天野 弘基 東海大学, 文理融合学部, 特任助教 (90964552)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Keywords: 熊本 / 地下水 / 硝酸性窒素 / シミュレーション / 可視化 / 将来予測

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、地下水の硝酸性窒素汚染問題の根本解決に資する窒素動態モデルの創出を目指し、人口約100万人の飲用水源を全て地下水に依存する熊本地域の広域地下水流動系を対象に、地表と地下の水・物質の挙動をシームレスで計算できる水文シミュレーターを駆使することで目に見えない地下における窒素成分の三次元的な広がりを誰もが分かる形で可視化し、その時間的な推移をコンピューター上で再現するものである。
研究期間全体（4年間）のうち2年目にあたる本年度は、モデル構築に関して主に地下水流動モデルの再調整を行いつつ、農林業センサスデータならびに窒素削減データから得られる地表からの窒素負荷量に係る詳細な時空間情報を網羅的にモデルに組み込み、初年度抽出された課題について試行錯誤を行った。その結果、地下水中の硝酸性窒素濃度に対し、濃度範囲からみると概ね観測を説明できる計算結果を得ることができた。しかしながら、時間的なトレンドやその空間的な分布には依然として観測結果との目立ったギャップが存在し、このような問題を解消するより詳細かつ具体的な検討事項を抽出するところまでを行った。
また、モデル構築と並行し成分・同位体分析用の地下水試料の採水・分析を、共同研究者の中川教授（長崎大学）、天野特任助教（東海大学）および熊本大学と長崎大学の大学院生が積極的に参画する体制で、加えて、新たに雇用した若手の外国人ポスドク研究員（志強博士）の協力を得る形で推し進めた。当該年度の目立った成果として、これら水質・同位体データおよび農林業センサスデータや行政による水質検査結果のアーカイブスデータを解析し、地域の窒素動態の過去と現状について観測ベースで明らかにし、その成果を国際誌（Ecological Indicators）に学術論文として取りまとめ掲載した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

四年間の計画全体を通して予定していた本年度（2年目）計画は問題なく実行でき、既にいくつかの成果について学会発表している。特に、主な成果として観測データの解析結果を本研究に関わる全ての共同研究者やチームメンバーとの共著論文の形で本年度の早い段階で国際誌に論文として掲載できたことは、当初予想していたよりも早期に達成できたため、現在までの進捗状況としてはおおむね順調に進展もしくは一部当初の計画以上に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

昨年度実施した窒素動態モデル構築に係る検討を通し、今後モデルの再現性を高めていくためには大きく２つのクリアすべき課題があることが分かってきた。１点目は地下水流動モデルの調整であり、２点目は窒素負荷の割り当てを実態に即した形で配分されるよう調整することである。これらを踏まえ、全体計画のうち3年目にあたる次年度はこうした課題をクリアすることで過去から現在にかけて窒素変動トレンドの空間的特性をある程度再現できる状態に持っていくことを試みる。 以上のモデル構築に向けた試みを継続すると共に、観測・分析データに基づく解析・論文化も進めたいと考えている。例えば、昨年度までに地域全域にかけて300地点にのぼる井戸で成分・同位体分析値を整理できている。加えて、代表的な13の地下水井戸において２年間にわたり毎月採水を実施し、成分・同位体分析用の地下水試料を得ている。これらの情報・試料は地域の地下水流動系ならびに水質の時空間的な特性についてその全容を把握する上で基礎となり、地域の地下水環境に対する理解を向上するため重要となる。次年度は、長崎大学の中川教授および東海大学の天野助教にご協力をいただき、熊本大学以外で分析されたデータについても成果をまとめていければと考えている。 さらに、地域の水位データを網羅的に入手しており、ポスドク研究員の志強博士を中心に統計・数値解析に基づき全域を対象に地下水位変動の時空間特性について評価し成果を学術論文としてまとめていくつもりである。それらに加え、次年度は地域の脱窒特性をより深く理解するため、本地域では初めてメタゲノム解析を実施し、その適応可能性ならびに基礎的データの入手を検討している。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学リバーサイド校(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: カリフォルニア大学リバーサイド校
• [Journal Article] Mechanism of denitrification in subsurface-dammed Ryukyu limestone aquifer, southern Okinawa Island, Japan (2024)
  • Author(s): Hermawan Oktanius Richard、Hosono Takahiro、Yasumoto Jun、Yasumoto Ko、Song Ke-Han、Maruyama Rio、Iijima Mariko、Yasumoto-Hirose Mina、Takada Ryogo、Hijikawa Kento、Shinjo Ryuichi
  • Journal Title: Science of The Total Environment Volume: 912 Pages: 169457～169457
  • DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.169457
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effective use of farmland soil samples for N and O isotopic source fingerprinting of groundwater nitrate contamination in the subsurface dammed limestone aquifer, Southern Okinawa Island, Japan (2023)
  • Author(s): Hermawan Oktanius Richard、Hosono Takahiro、Yasumoto Jun、Yasumoto Ko、Song Ke-Han、Maruyama Rio、Iijima Mariko、Yasumoto-Hirose Mina、Takada Ryogo、Hijikawa Kento、Shinjo Ryuichi
  • Journal Title: Journal of Hydrology Volume: 619 Pages: 129364～129364
  • DOI: 10.1016/j.jhydrol.2023.129364
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stable N and O isotopic indicators coupled with social data analysis revealed long-term shift in the cause of groundwater nitrate pollution: Insights into future water resource management (2023)
  • Author(s): Hosono Takahiro、Taniguchi Kana、Sakiur Rahman A.T.M.、Yamamoto Tatsuki、Takayama Koki、Yu Zhi-Qiang、Aihara Taito、Ikehara Takatomo、Amano Hiroki、Tanimizu Masaharu、Nakagawa Kei
  • Journal Title: Ecological Indicators Volume: 154 Pages: 110670～110670
  • DOI: 10.1016/j.ecolind.2023.110670
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Changes in metals and metalloids concentrations in spring waters after the 2016 Kumamoto earthquake (2023)
  • Author(s): MAEDA Toshitaka、HOSONO Takahiro、KOBA Ryouichi、WATANABE Kazuhiro、HONDA Tomonori、NABETA Ayumi
  • Journal Title: Journal of Groundwater Hydrology Volume: 65 Pages: 177～199
  • DOI: 10.5917/jagh.65.177
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 16S rRNA解析およびショットガンメタゲノム解析による沖縄本島南部地域の地下水の微生物叢と窒素代謝遺伝子の動態解明 (2024)
  • Author(s): 丸山莉織，水澤奈々美，安元剛，渡部終五, 廣瀬美奈，宋科翰，新城竜一，細野高啓，飯島真理子，井口亮，上原望笑，松岡走，安元純
  • Organizer: 令和6年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] 熊本地震時の学会対応および調査研究活動など (2024)
  • Author(s): 細野高啓
  • Organizer: 日本地下水学会 能登地震緊急報告会
  • Invited
• [Presentation] Microbial Communities and Genes Related to Nitrogen and Sulfur Metabolisms in the Ryukyu Limestone Aquifer (2023)
  • Author(s): Rio, M., Mizusawa, N., Yasumoto, K., Takada, R., Yasumoto, J., Yasumoto, M., Iijima, M., Iguchi, A., Hermawan, O.R., Hosono, T., SONG, K.-H., Shinjo, R., Watabe, S.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tracing anthropogenic nitrate sources with 234U/238U isotopic ratios in groundwater in Kumamoto Area (2023)
  • Author(s): Kuribayashi, C., Hosono, T., Tanimizu, M.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Origin and behavior of nitrate nitrogen in the freshwater lens deduced by multiple stable isotope ratios in Tarama Island, Okinawa, Japan (2023)
  • Author(s): Ikehara, T., Hosono, T., Hermawan, O.R., Yasumoto, J., Yasumoto, K., Maruya, R., Iijima, M., KE-HAN SONG., Shinjo, R.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact of Anthropogenic phosphorus loading on authigenic apatite in marine sediment of Osaka Bay (2023)
  • Author(s): Rahman, M.S., Onodera, S., Ishida, T., Saito, M., Wang, K., Hosono, T., Umezawa, Y.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristics of nirS denitrification-related genes variation in groundwater in the Ryukyu limestone area (2023)
  • Author(s): Yasumoto, J., Machida, R., Yasumoto-H, M., Kinjo, N., Yasumoto, K., Maruyama, R., Mizusawa, N., Hosono, T., Razafindrabe, B.H., Shinjo, R.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Source Identification of Nitrate Pollution in Groundwater Using Fecal Sterol Markers of an Urban Area in Japan (2023)
  • Author(s): Nakagawa, K., Zhuolin, L., Shahidal, M.I., Aihara, T., Hosono, T., Takao, Y.
  • Organizer: AOGS 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Seasonal changes in the microbial communities and abundances of genes related to nitrogen and sulfur metabolisms in the Ryukyu limestone aquifer (2023)
  • Author(s): Maruyama, R., Mizusawa, N., Yasumoto, K., Takada, R., Yasumoto, J., Yasumoto-H, M., Iguchi, A., Hosono, T., Shinjo, R., Watabe, S.
  • Organizer: APMBC 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a surface-subsurface integrated model for understanding and managing the groundwater resources through multi-stakeholder participation in Kumamoto Area, southern Japan (Part 1) (2023)
  • Author(s): Kawasaki, M., Sawada, M., Tawara, Y., Kobayashi, T., Fukuoka, Y., Tada, K., Shimada, J., Hosono, T., Katsuya, K., Shin-no, K., Koga, H., Nakahori, Y.
  • Organizer: AGU 2023 Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 淡水レンズ構造を有する地下水における酸化・還元環境における微生物叢変動 (2023)
  • Author(s): 丸山莉織, 安元剛, 水澤奈々美, 渡部終五, 安元純, 新城竜一, 細野高啓
  • Organizer: 水環境学会
• [Presentation] Applicability of Sterols for Estimating the Pollution Source in Kumamoto City Area (2023)
  • Author(s): Li, Z., Nakagawa, K., Islam, M.S., Takao, Y., Aihara, T., Hosono, T.
  • Organizer: 日本地下水学会2023年春季講演会
• [Presentation] Using sterol ratios to monitor groundwater quality and fecal pollution sources in Kumamoto city area, Japan (2023)
  • Author(s): Li, Z., Nakagawa, K., Islam, M.S., Takao, Y., Aihara, T., Hosono, T.
  • Organizer: 水文・水資源学会
• [Presentation] 水の安定同位体分析を通して見えてきた熊本地域における地下水流動機構の空間特性ならびにその季節変動 (2023)
  • Author(s): 相原泰斗, 細野高啓, 中川啓, 天野弘基 一柳錦平
  • Organizer: 水文・水資源学会
• [Presentation] 微量元素濃度およびリチウム同位体比分析による熊本地域広域地下水の起源推定 (2023)
  • Author(s): 髙橋誠拓, 栗林千佳, 相原泰斗, 細野高啓, 谷水雅治
  • Organizer: 日本地球化学会 第70回年会
• [Presentation] 琉球石灰岩帯水層における微生物叢と窒素代謝遺伝子の季節変化琉球石灰岩帯水層における微生物叢と窒素代謝遺伝子の季節変化 (2023)
  • Author(s): 丸山莉織, 安元剛, 水澤奈々美, 渡部終五, 廣瀬(安元)美奈, 宋科翰, 新城竜一, 細野高啓, 飯島真理子, 井口亮, 安元純, 金城尚, 上原望笑, 松岡走
  • Organizer: 日本地下水学会2023年秋季講演会
• [Presentation] 潮汐が石灰岩帯水層における塩水侵入と海底地下水湧出に及ぼす影響 (2023)
  • Author(s): 安元純, 金城尚, 松岡走, 上原望笑, 宋科翰, 安元剛, 丸山莉緒, 飯島真理子, 鈴村昌弘, 井口亮, 浅井和見, 細野高啓, Chris Leong, 谷口真人, 新城竜一
  • Organizer: 日本地下水学会2023年秋季講演会
• [Presentation] 沖縄県多良間島淡水レンズにおける地下水中の硝酸性窒素の起源と挙動に関する一考察 (2023)
  • Author(s): 池原尚朋, 細野高啓, HERMAWAN Oktanius Richard, 安元純, 安元剛, 丸山莉織, 飯島真理子, SONG KE-HAN, 新城竜一
  • Organizer: 日本地下水学会2023年秋季講演会
• [Presentation] 黒島における淡水レンズ中の微生物叢群衆と機能性遺伝子解析 (2023)
  • Author(s): 井出椋太, 丸山莉織, 安元剛, 水澤奈々美, 渡部終五, 宋科翰, 新城竜一, 池原尚朋, 細野高啓, 飯島真理子, 井口亮, 安元純
  • Organizer: 日本地下水学会2023年秋季講演会
• [Presentation] GETFLOWS を用いた 熊本地域における地下水硝酸性窒素動態の再現と今後の課題 (2023)
  • Author(s): 谷口可奈, 細野高啓, 田原康博, 小林嵩丸, 福岡庸一
  • Organizer: 本地下水学会2023年秋季講演会
• [Presentation] 地下水中硝酸性窒素動態についての研究 (2023)
  • Author(s): 細野高啓
  • Organizer: 熊本県地下水と土を育む農業推進県民会議幹事会
  • Invited
• [Presentation] 巨大地震が地下水環境に及ぼす影響：2016年熊本地震からの学び (2023)
  • Author(s): 細野高啓
  • Organizer: 第18回IROASTシンポジウム
  • Invited