Bacterial count as an indicator of soil health under pollution by lead

Abstract

The number of soil bacteria is an indicator of the condition and health of soils under chemical contamination. However, the native abundance of soil bacteria in the soils of different climatic zones varies significantly. Depending on the soil-forming factors, the number of bacteria in the soils of different climatic zones will vary. To assess changes in the number of soil bacteria, soil contamination of different climatic zones (semi-deserts, steppes and forests) with lead (Pb) in the following concentrations was modeled: 100, 1000 and 10,000 mg Pb×kg^–1 of soil. It was found that at a maximum concentration of 10,000 mg Pb×kg^–1 of soil, the number of soil bacteria in different types of soils was inhibited by 46–92% compared with the control. With an increase in Pb concentration, the number of soil bacteria decreased in semi-desert soils: from 1.61 billion×g^–1 (typical salt marsh) to 0.89 billion×g (chestnut and brown semi-desert soils); in steppe soils: from 4.50 billion×g^–1 (podzolic chernozem) to 0.80 billion×g^–1 (common chernozem); in forest soils: from 8.00 billion×g^–1 (dark gray forest soil) to 1.90 billion×g^–1 (sod-podzolic soil). The soils of the forest climate zone were found to be the most resistant to Pb pollution, while the soils of the steppe climate zone were the least resistant. Among semi—desert soils, the most sensitive are typical salt marshes, among steppe soils — podzolic chernozems, forest soils - sod-podzolic illuvial-ferruginous soils. A comparison of the number of soil bacteria in three climatic zones of Russia with lead contamination has been carried out. The results of the study can be used to indicate the ecological status and health of soils contaminated with heavy metals.

References

1. Байбеков Р.Ф., Писарева А.В., Савич В.И. и др. Микробиологическая оценка загрязнения почв парков тяжелыми металлами // Плодородие. 2017. № 2(95). С. 51–53. 2. Водяницкий Ю.Н. Свойства тяжелых металлов и металлоидов в почвах // Агрохимия. 2009. № 8. С. 85–94. 3. Жаркова М.Г., Колесников С.И. Определение экологически безопасной концентрации свинца в черноземе обыкновенном // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2008. № 5. С. 9–92. 4. Иванищев В.В., Сиголаева Т.Е. Источники свинца в среде и проблемы снижения его содержания в почве // Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2024. № 3. С.147–165. 5. Круглов Ю.В. Микробное сообщество почвы: физиологическое разнообразие и методы исследования // Сельскохозяйственная биология. 2016. Т. 51, № 1. С. 46–59. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2016.1.46rus 6. Кудеяров В.Н. Почвы в биосфере и жизни человека // Почвоведение. 2013. № 7. https://doi.org/10.7868/S0032180X13050080 7. Кузина А.А., Колесников С.И., Минникова Т.В. и др. Подходы к разработке экологических региональных нормативов содержания свинца в почвах Черноморского побережья Кавказа на основе интегрального показателя биологического состояния почвы // Гигиена и санитария. 2022. Т. 101, № 3. С. 262–269. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2022-101-3-262-269 8. Медведев И.Ф., Деревягин С.С. Тяжелые металлы в экосистемах. Саратов, 2017. 178 с. 9. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под. ред. Д.Г. Звягинцева. М., 1991. 304 с. 10. Минникова Т.В., Русева А.С., Колесников С.И. и др. Численность бактерий в нефтезагрязненном черноземе обыкновенном после ремедиации // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2023. Т. 78, № 3. С. 65–75. https://doi.org/10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-3-65-75 11. Мосина Л.В., Довлетярова Э.А., Ефремова С.Ю. и др. Экологическая опасность загрязнения почвы тяжелыми металлами (на примере свинца) // Известия Пензенского гос-го педагогического ун-та им. В.Г. Белинского. 2012. Т. 29. С. 383–386. 12. Никитин Д.А., Семенов М.В., Чернов Т.И. и др. Микробиологические индикаторы экологических функций почв (обзор) // Почвоведение. 2022. Т. 2. С. 228–243. https://doi.org/10.31857/s0032180x22020095 13. Околелова А.А., Желтобрюхов В.Ф., Егорова Г.С. Экологическое почвоведение и законы экологии: Уч. пособие. Волгоград, 2017. 216 с. 14. Плеханова И.О., Куликов В.О., Шабаев В.П. Влияние ризосферных бактерий на фракционный состав соединений тяжелых металлов в системе почва–растение // Почвоведение. 2022. № 9. С. 1179–1186. https://doi.org/10.31857/S0032180X22090143 15. Полякова Г.А., Меланхолин П.Н., Лысиков А.Б. Динамика состава и структуры сложных боров Подмосковья // Лесоведение. 2011. № 2. С. 42–50. 16. Понизовский А.А., Мироненко Е.В. Механизмы поглощения свинца(II) почвами // Почвоведение. 2001. № 4. С. 418–429. 17. Санжарова Н.И., Цыгвинцев П.Н., Анисимов В.С. и др. Тяжелые металлы в агроценозах: миграция, действие, нормирование / Под ред Н.И. Санжаровой, П.Н. Цыгвинцева. Обнинск, 2019. 398 с. 18. Семенов А.М., Соколов М.С. Концепция здоровья почвы: фундаментально-прикладные аспекты обоснования критериев оценки // Агрохимия. 2016. № 1. С. 3–16. 19. Соколов М.С., Семенов А.М., Спиридонов Ю.Я. и др. Здоровая почва – условие устойчивости и развития агро- и социосфер (проблемно-аналитический обзор) // Известия РАН. Серия биологическая. 2020. № 1. С. 12–21. https://doi.org/10.31857/S0002332920010142 20. Степанов А.Л., Манучарова Н.А., Никитин Д.А. и др. Достижения и перспективы развития почвенной микробиологии в Московском университете // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2023. Т. 78, № 4. С. 63–69. https://doi.org/10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-4-63-69 21. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Карапетян Т.А. и др. Влияние свинца на живые организмы // Журнал общей биологии. 2020. Т. 81, № 2. С. 147–160. https://doi.org/10.31857/S0044459620020086 22. Холопов Ю.А. Изучение реакции микроорганизмов почв лесных ценозов на внесение солей свинца и кадмия в условиях модельного опыта // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15, № 3. С. 260–267. 23. Черненькова Т.В., Пузаченко М.Ю., Беляева Н.Г. и др. Характеристика и перспективы сохранения сосновых лесов Московской области // Лесоведение. 2019. № 5. С. 449–464. https://doi.org/10.1134/S0024114819050024 24. Чернов Т.И., Железова А.Д. Динамика микробных сообществ почвы в различных диапазонах времени (обзор) // Почвоведение 2020. № 5. С. 590–600. https://doi.org/10.31857/S0032180X20050044 25. Abba M., Shafiu S., Ibrahim B. et al. Understanding the impact of lead contamination on microbial diversity: A Comprehensive Review // International Journal of Research Publication and Reviews. 2024. Vol. 5, № 7. P. 1119–1130. https://doi.org/10.55248/gengpi.5.0724.1721 26. Amin H., Ahsan M., Niaz A. et al. Climate change impacts on soil properties and agricultural productivity // Biological and Clinical Sciences Research Journal. 2023(1). P. 618. https://doi.org/10.54112/bcsrj.v2023i1.618 27. Dahnoun K., Djadouni F. Effects of heavy-metal pollution on soil microbial community, plants, and human health // Jordan Journal of Earth and Environmental Sciences. 2020. Vol. 11(3). P. 234–240. 28. Das K., Das S.C., Aminuzzaman F.M. Environmental and ecological impact of soil microorganisms in plant sciences // Journal of Ecology and Natural Resources. 2022. Vol. 6, Iss. 2. https://doi.org/10.23880/jenr-16000273 29. Gadd G.M. Mechanisms of Lead Toxicity in Microorganisms. Microorganisms_in_Toxic_Metal-Polluted_Soils. 2005. P. 325–356. https://doi.org/10.1007/3-540-26609-7_16 30. Inobeme A. Effect of Heavy Metals on Activities of Soil Microorganism / In: C.O. Adetunji, D.G. Panpatte, Y.K. Jhala (eds.). Microbial Rejuvenation of Polluted Environment. Microorganisms for Sustainability, vol. 27. Springer, Singapore, 2021. https://doi.org/10.1007/978-981-15-7459-7_6 31. Khan A., Khan S., Khan M.A. et al. The uptake and bioaccumulation of heavy metals by food plants, their effects on plants nutrients, and associated health risk: a review // Environmental Science and Pollution Research. 2015. Vol. 22. Р. 13772–13799. https://doi.org/10.1007/s11356-015-4881-0 32. Li Y., Dick W.A., Tuovinen O.H. Fluorescence microscopy for visualization of soil microorganisms // Biology and Fertility of Soils. 2004. Vol. 39, № 5. P. 301–311. https://doi.org/10.1007/s00374-004–0722-x 33. Matinian N.N., Gusareva A.L., Bakhmatova K.A. et al. Microbiological indicators and heavy metal concentration in ecological assessment of urban soils of Saint Petersburg // Russia. geography, environment, sustainability. 2020. Vol. 13(1). P. 214–223. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2019-63 34. Minnikova T., Kolesnikov S., Khoroshaev D., Tsepina N., Evstegneeva N., Timoshenko A. Assessment of the health of soils contaminated with Ag, Bi, Tl and Te by the intensity of microbiological activity // Life. 2023. Vol. 13. P. 1592. https://doi.org/10.3390/life13071592 35. Mishra S. Editorial: heavy metal carcinogens versus human health // International Journal of Biochemistry & Physiology. 2018. Vol. 3(3). P. 000128. https://doi.org/10.23880/IJBP-16000128 36. Pankova E.I., Konyushkova M.V. Climate and soil salinity in the deserts of Central Asia // Genesis and Geography of Soils. 2013. № 7. P. 771–777. 37. Prescott C.E. Decomposition and mineralization of nutrients from litter and humus // Ecological Studies. 2005. Vol. 181. P. 15–41. 38. Régo A.P.J., Tornisielo V.L. Impacts of heavy metals on soil microbial activity // Journal of Environment and Ecology. 2020. Vol. 11(1). P. 19. https://doi.org/10.5296/jee.v11i1.16444 39. Sazykin I., Khmelevtsova L., Azhogina T. et al. Heavy metals influence on the bacterial community of soils: A Review // Agriculture. 2023. Vol. 13(3). P. 653. https://doi.org/10.3390/agriculture13030653 40. Séré G., Le Guern C., Bispo A. et al. Selection of soil health indicators for modelling soil functions to promote smart urban planning // Science of The Total Environment. 2024. Vol. 924. P. 171347. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171347 41. World Reference Base for Soil Resources. International Soil Classification System for Naming Soils and Creating Legends for Soil Maps 2022. 4th Ed. (International Union of Soil Sciences) 42. Zhang H., Jiang N., Zhang S. et al. Soil bacterial community composition is altered more by soil nutrient availability than pH following long-term nutrient addition in a temperate steppe // Front. Microbiol. 2024. Vol. 15. P. 1455891. https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1455891