Number and Taxonomic Diversity of Microorganisms in the Profile of Urban Soils in the Arctic Zone of the Murmansk City

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In this work, a comparative analysis of the chemical and microbiological properties of soils profile (Urbic Technosol) in Murmansk was carried out in comparison with podzol (Albic Podzol) in the background area. In urban soils, an increase in pH values and the content of main nutrients (C, N, P, K), especially noticeable for subsoil horizons, was revealed. In the topsoil horizons, an increase in the number of bacteria was noted (saprotrophs – up to 3–6 mln CFU/g, oligotrophs up to 4.5–8 mln CFU/g) and a decrease in the number of culturable microscopic fungi by 2 orders of magnitude (up to 103 CFU) compared to natural podzols, while in the urban subsoil horizons an increase in the number of all groups of microorganisms was revealed compared to the background. The same pattern is characteristic of the microfungi diversity in the urban area. In the urban topsoil horizons, spatial heterogeneity of the species composition and structure of microfungal complexes was noted, while in subsoil horizons there was a relative homogeneity of the dominant species composition: Trichocladium griseum, relative abundance 41–77%. There was an increase in the proportion and abundance of opportunistic fungi of BSL-1 and BSL-2 groups 50–60% in the urban topsoil horizons compared to natural podzols 30%. The degree of mycological danger of urban soils varied from dangerous to safe (index mycological Im values varied from 7–20 in the city center to 1.5–3.6 on the outskirts). The results showed that urbanization in the Arctic not only leads to changes in the chemical properties of soils, but also creates a new niche for microorganisms in subsoil horizons.

About the authors

M. V. Korneykova

Рeoples’ Friendship University of Russia (RUDN University); Institute of North Industrial Ecology Problems Subdivision of the Federal Research Center “Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences”

Author for correspondence.
Email: korneykova.maria@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6167-1567
Russian Federation, Moscow; Apatity

A. S. Soshina

Рeoples’ Friendship University of Russia (RUDN University); Institute of North Industrial Ecology Problems Subdivision of the Federal Research Center “Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences”

Email: korneykova.maria@mail.ru
Russian Federation, Moscow; Apatity

N. V. Fokina

Institute of North Industrial Ecology Problems Subdivision of the Federal Research Center “Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences”

Email: korneykova.maria@mail.ru
Russian Federation, Apatity

V. A. Myazin

Рeoples’ Friendship University of Russia (RUDN University); Institute of North Industrial Ecology Problems Subdivision of the Federal Research Center “Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences”

Email: korneykova.maria@mail.ru
Russian Federation, Moscow; Apatity

E. V. Kozlova

Рeoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: korneykova.maria@mail.ru
Russian Federation, Moscow

V. I. Vasenev

Wageningen University

Email: korneykova.maria@mail.ru
Russian Federation, Wageningen

References

  1. Ананьева Н.Д., Иващенко К.В., Сушко С.В. Микробные показатели городских почв и их роль в оценке экосистемных сервисов (обзор) // Почвоведение. 2021. № 10. С. 1231–1246. https://doi.org/10.31857/S0032180X21100038
  2. Аристовская В.В., Владимирская М.Е., Голлербах М.М. Большой практикум по микробиологии. М.: Высшая школа, 1962. 491 с.
  3. Богородская А.В., Пономарева Т.В., Шапченкова О.А., Шишикин А.С. Оценка состояния микробных комплексов почв лесотундровой зоны в условиях аэротехногенного загрязнения // Почвоведение. 2012. № 5. С. 582–593.
  4. Глушакова А.М., Качалкин А.В., Чернов И.Ю. Особенности динамики эпифитных и почвенных дрожжевых сообществ в зарослях недотроги железконосной на перегнойно-глеевой почве // Почвоведение. 2011. № 8. С. 966–972.
  5. Глушакова А.М., Лысак Л.В., Белов А.А., Иванова А.Е., Лапыгина Е.В., Прокофьева Т.В., Умарова А.Б. Локальный мониторинг бактериального комплекса городских почв Сыктывкара в 2019 и 2020 гг. // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2021. № 2. С. 45–50.
  6. Гончарова О.Ю., Семенюк О.В., Матышак Г.В., Богатырев Л.Г. Биологическая активность городских почв: пространственная вариабельность и определяющие факторы // Почвоведение. 2022. № 8. С. 1009–1022. https://doi.org/10.31857/S0032180X22080032
  7. Добровольская Т.Г., Звягинцев Д.Г., Чернов И.Ю., Головченко А.В., Зенова Г.М., Лысак Л.В., Манучарова Н.А., Марфенина О.Е., Полянская Л.М., Степанов А.Л., Умаров М.М. Роль микроорганизмов в экологических функциях почв // Почвоведение. 2015. № 9. С. 1087–1087. https://doi.org/10.7868/S0032180X15090038
  8. Евдокимова Г.А., Корнейкова М.В., Лебедева Е.В. Сообщества микромицетов в почвах в зоне воздействия алюминиевого завода // Микология и фитопатология. 2007. Т. 41. № 1. С. 20–28.
  9. Заварзина А.Г., Семенова Т.А., Белова О.В., Лисов А.В., Леонтьевский А.А., Иванова А.Е. Продукция лактазы и деструкция гуминовых кислот почвенными микроскопическими грибами // Микробиология. 2018. Т. 87. № 3. С. 233–241. https://doi.org/10.7868/S00265618030023
  10. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 c.
  11. Кириенко О.А., Имранова Е.Л. Микробиологическая оценка экологического состояния урбанизированных почв // Экология урбанизированных территорий. 2008. № 4. С. 57–61.
  12. Кирцидели И.Ю., Власов Д.Ю., Зеленская М.С., Ильюшин В.А., Новожилов Ю.К., Чуркина И.В., & Баранцевич Е.П. Оценка антропогенной инвазии микроскопических грибов в арктические экосистемы (архипелаг Шпицберген) // Гигиена и санитария. 2020. № 99. С. 145–151. https://doi.org/10.33029/0016-9900-2020-99-2-145-151
  13. Корнейкова М.В. Сравнительный анализ численности и структуры комплексов микроскопических грибов в почвах тундры и тайги Кольского Севера // Почвоведение. 2018. № 1. С. 86–92. https://doi.org/10.7868/S0032180X18010094
  14. Корнейкова М.В., Васенев В.И., Салтан Н.В., Слуковская М.В., Сошина А.С., Заводских М.С., Сотникова Ю.Л., Долгих А.В. Анализ эмиссии СО2 городскими почвами в условиях Крайнего Севера // Почвоведение. 2023. № 11. C. 1385–1399. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600373
  15. Корнейкова М.В., Никитин Д.А., Долгих А.В., Сошина А.С. Микобиота почв города Апатиты (Мурманская область) // Микология и фитопатология. 2020. Т. 54. № 4. С. 264–277. https://doi.org/10.31857/S0026364820040078
  16. Корнейкова М.В., Редькина В.В., Шалыгина Р.Р. Альго-микологическая характеристика почв в сосновом и березовом лесах на территории заповедника “Пасвик” // Почвоведение. 2018. № 2. С. 211–220. https://doi.org/10.7868/S0032180X18020090
  17. Кураков А.В., Лаврентьев Р.Б., Нечитайло Т.Ю., Голышин П.Н., Звягинцев Д.Г. Разнообразие факультативно анаэробных мицелиальных микроскопических грибов в почвах // Микробиология. 2008. Т. 77. № 1. С. 103–112.
  18. Лысак Л.В. Бактериальные сообщества городских почв. Автореф. дис. … докт. биол. наук. М., 2010.
  19. Лысак Л.В., Шоба С.А., Прокофьева Т.В., Глушакова А.М., Гончаров Н.В., Белов А.А. Обилие и разнообразие прокариотных сообществ пылеаэрозоля и городских почв на территории Москвы // Почвоведение. 2023. № 5. С. 654–664. https://doi.org/10.31857/S0032180X22601359
  20. Макарова А.П., Напрасникова Е.В., Буковская Н.Е. Экологическая и санитарно-бактериологическая характеристика почвенного покрова города Братска // Известия Иркутского гос. ун-та. Сер. Биология. Экология. 2018. № 26. С. 18–27. https://doi.org/10.26516/2073-3372.2018.26.18
  21. Марфенина О.Е. Антропогенные изменения комплексов микроскопических грибов в почвах. Автореф. дис. … докт. биол. наук. М, 1999. 49 с.
  22. Марфенина О.Е. Антропогенная экология почвенных грибов. М.: Медицина для всех, 2005. 196 с.
  23. Марфенина О.Е., Кулько А.Б., Иванова А.Е., Согонов М.В. Микроскопические грибы во внешней среде города // Микология и фитопатология. 2002. № 36. С. 22–32.
  24. Марьина-Чермных О.Г., Марьин Г.С., Апаева Н.Н. Влияние интенсивного антропогенного воздействия на формирование микромицетных сообществ и фитотоксичность почвы // Вестник Алтайского гос. аграрного ун-та. 2012. № 10. С. 72–77.
  25. Молодых Т.А., Свистова И.Д. Видовое разнообразие почвенных микромицетов рекреационных зон города Воронежа. Материалы международной молодежной научной школы-конференции “Воспроизводство, мониторинг и охрана природных, природно-антропогенных и антропогенных ландшафтов”. 2021. С. 76–80.
  26. Нестеркин М.Г., Хлуднева Н.Н. Состояние плодородия почв Мурманской области // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 6. С. 10–14. https://doi.org/10.24411/0235-2451-2018-10602
  27. Николаева В.В., Иванова А.Е. Почвенные целлюлозолитические грибные сообщества при точечной застройке городских территорий (на примере Москвы) // Проблемы агрохимии и экологии. 2015. № 2. С. 45–0.
  28. Овчинникова Т.А., Панкратов Т.А. Некоторые микробиологические особенности почвенного покрова города Новокуйбышевска в осенний период // Самарская Лука. 2008. Т. 17. № 2. С. 373–383.
  29. Переверзев В.Н. Лесные почвы Кольского полуострова. М.: Наука, 2004. 232 с.
  30. СанПиН 3.3686-21. Санитарно-эпидемиологические требования по профилактике инфекционных болезней. М., 2021. 708 с.
  31. Свистова И.Д., Назаренко Н.Н., Потапова О.П. Влияние городской нагрузки на комплекс почвенных микромицетов (на примере левобережной части г. Воронежа) // Экология и промышленность России. 2016. № 20. С. 46–50.
  32. Стома Г.В., Манучарова Н.А., Белокопытова Н.А. Биологическая активность микробных сообществ в почвах некоторых городов России // Почвоведение. 2020 № 6. С. 703–715. https://doi.org/10.31857/S0032180X2006012X
  33. Тепеева А.Н., Глушакова А.М., Качалкин А.В. Влияние городских теплотрасс на дрожжевые сообщества почв // Почвоведение. 2018. № 4. С. 486–492. https://doi.org/10.7868/S0032180X18040093
  34. Турчановская Н.С., Богданова О.Ю. Микробиологическое исследование почвы города Мурманска // Успехи современного естествознания. 2011. № 8. С. 72.
  35. Тухбатова Р.И. Микробиологическая характеристика археологических памятников на территории Республики Татарстан. Автореф. дис. … канд. биол. наук. Казань, 2008. 23 с.
  36. Халдеева Е.В., Баязитова А.А., Лисовская С.А., Глушко Н.И., Паршаков В.Р. Микобиота почв городских территорий с различным уровнем антропогенной нагрузки // Гигиена и санитария. 2017. № 96. С. 505–508. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2017-96-6-505-508
  37. Широких И.Г., Ашихмина Т.Я., Соловьева Е.С. Сравнительный анализ биоиндикационного значения различных параметров микробной системы в урбаноземах города Киров // Вестник Ин-та биологии Коми НЦ УрО РАН. 2012. № 3. С. 41–43.
  38. Широких И.Г., Косолапова А.И., Широких А.А., Завьялова Н.Е. Микробная трансформация органического вещества дерновоподзолистой почвы Предуралья при различном использовании и внесении минеральных удобрений // Теоретическая и прикладная экология. 2019. № 1. С. 102–110. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2019-1-102-110
  39. Agathokleous E., Wang Q., Iavicoli I., Calabrese E.J. The relevance of hormesis at higher levels of biological organization: hormesis in microorganisms // Current Opinion in Toxicology. 2022. V. 29. P. 1–9. https://doi.org/10.1016/j.cotox.2021.11.001
  40. Bastida F., Eldridge D.J., Garcia C., Kenny Png G., Bardgett R.D., Delgado-Baquerizo M. Soil microbial diversity–biomass relationships are driven by soil carbon content across global biomes // The ISME J. 2021. V. 15. P. 2081–2091. https://doi.org/10.1038/s41396-021-00906-0
  41. Benami M., Gross A., Herzberg M., Orlofsky E., Vonshak A., Gillor O. Assessment of pathogenic bacteria in treated graywater and irrigated soils // Sci. Total Environ. 2013. V. 458. P. 298–302. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.04.023
  42. Beroigui M., Naylo A., Walczak M., Hafidi M., Charzynski P., Switoniak M., Rożanski S., Boularbah A. Physicochemical and microbial properties of urban park soils of the cities of Marrakech, Morocco and Torun, Poland: Human health risk assessment of fecal coliforms and trace elements // Catena. 2020. V. 194. P. 104673. https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.104673
  43. Beylich A., Oberholzer H.R., Schrader S., Höper H., Wilke B.M. Evaluation of soil compaction effects on soil biota and soil biological processes in soils // Soil Till. Res. 2010. V. 109. P. 133–143. https://doi.org/10.1016/j.still.2010.05.010
  44. Blume-Werry G., Klaminder J., Krab E.J., Monteux S. Ideas and perspectives: Alleviation of functional limitation by soil organisms is key to climate feedbacks from northern soils // Biogeosciences Discussions. 2022. P. 1–18. https://doi.org/10.5194/bg-2022-215
  45. Brunner I., Plotze, M., Rieder S., Zumsteg A., Furrer G., Frey B. Pioneering fungi from the damma glacier forefield in the Swiss Alps can promote granite weathering // Geobiology. 2011. V. 9. P. 266–279. https://doi.org/10.1111/j.1472-4669.2011.00274.x
  46. de Hoog G.S., Guarro J., Gene J., Ahmed S., Al-Hatmi A.M.S., Figueras M.J. Vitale R.G. Atlas of Clinical Fungi, 4th edition. Hilversum. 2020.
  47. Domsch K.H., Gams W., Anderson T.H. Compendium of Soil Fungi. Verlag, Eching, 2007. 672 p.
  48. Ernakovich J.G., Barbato R.A., Rich V.I., Schädel C., Hewitt R.E., Doherty S.J., Whalen E.D., Abbott B.W., et al. Microbiome assembly in thawing permafrost and its feedbacks to climate // Global Change Biol. 2022. V. 28. P. 5007-5026. https://doi.org/10.1111/gcb.16231
  49. Fei Y., Huang S., Zhang H., Tong Y., Wen D., Xia X., Wang H., Luo Y., Barcelo D. Response of soil enzyme activities and bacterial communities to the accumulation of microplastics in an acid cropped soil // Sci. Total Environ. 2020. V. 707. P. 135634. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135634
  50. Frossard A., De Maeyer L., Adamczyk M., Svenning M., Verleyen E., Frey B. Microbial carbon use and associated changes in microbial community structure in high-Arctic tundra soils under elevated temperature // Soil Biol. Biochem. 2021. V. 162. P. 108419. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108419
  51. Glushakova A.M., Kachalkin A.V., Prokofieva T.V., Lysak L.V. Enterobacteriaceae in soils and atmospheric dust aerosol accumulations of Moscow city // Current Res. Microbial Sci. 2022. V. 3. P. 100124. https://doi.org/10.1016/j.crmicr.2022.100124
  52. Gomez-Brandon M., Herbon C., Probst M., Fornasier F., Barral M.T., Paradelo R. Influence of land use on the microbiological properties of urban soils // Appl. Soil Ecol. 2022. V. 175. P. 104452. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2022.104452
  53. Howard J.L. Urban anthropogenic soils – A review // Adv. Agronomy. 2021. V. 165. P. 1–57. https://doi.org/10.1016/bs.agron.2020.08.001
  54. http://www.indexfungorum.org/ Accessed 15.02.2024.
  55. https://www.isric.org/sites/default/files/WRB_fourth_edition_2022-12-18.pdf/ Accessed 10.02.2024
  56. ISO 18400-206:2018. In Soil Quality-Sampling- Part. 206: Collection, Handling and Storage of Soil under Aerobic Conditions for the Assessment of Microbiological Processes, Biomass and Diversity in the Laboratory. ISO: Geneva, Switzerland, 2018. 10 p.
  57. Ivashchenko K., Ananyeva N., Vasenev V., Sushko S., Seleznyova A., Kudeyarov, V. Microbial C-availability and organic matter decomposition in urban soils of megapolis depend on functional zoning // Soil Environ. 2019. V. 38. P. 31–41. https://doi.org/10.25252/SE/19/61524
  58. Kaviya N., Upadhayay V.K., Singh J., Khan A., Panwar M., Singh A.V. Role of Microorganisms in Soil Genesis and Functions // Mycorrhizosphere and Pedogenesis. 2019. P. 25–52. https://doi.org/10.1007/978-981-13-6480–8_2
  59. Klich M.A. Identification of common Aspergillus species. Utrecht: CBS Fungal Biodiversity Centre, 2002.
  60. Korneykova M.V., Redkina V.V., Fokina N.V., Myazin V.A., Soshina A.S. Soil microorganisms in the urban ecosystems of the Russian ubarctic (Murmansk region, Apatity) // Czech Polar Reports. 2021. V. 11. P. 333–351. https://doi.org/10.5817/CPR2021-2-23
  61. Korneykova M.V., Vasenev V.I., Nikitin D.A., Soshina A.S., Dolgikh A.V., Sotnikova Y.L. Urbanization affects soil microbiome profile distribution in the Russian Arctic region // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2021. V. 18. P. 11665. https://doi.org/10.3390/ijerph182111665
  62. Li X., Qu Z., Zhang Y., Ge Y., Sun H. Soil fungal community and potential function in different forest ecosystems // Diversity. 2022. V. 14. P. 520. https://doi.org/10.3390/d14070520
  63. Liu Q., Li W., Nie H., Sun X., Dong L., Xiang L., Zhang J., Liu X. The Effect of Human Trampling Activity on a Soil Microbial Community at the Urban Forest Park // Forests. 2023. V. 14(4). P. 692. https://doi.org/10.3390/f14040692
  64. Lorenz K., Kandeler E. Biochemical characterization of urban soil profiles from Stuttgart, Germany // Soil Biol. Biochem. 2005. V. 37. P. 1373–1385. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2004.12.009
  65. Marfenina O.E., Danilogorskaya A.A. Effect of elevated temperatures on composition and diversity of microfungal communities in natural and urban boreal soils, with emphasis on potentially pathogenic species // Pedobiologia. 2017. V. 60. P. 11–19. https://doi.org/10.1016/j.pedobi.2016.11.002
  66. Marfenina O.E., Ivanova A.E., Kislova E.E., Sacharov D.S. The mycological properties of medieval culture layers as a form of soil ‘biological memory’ about urbanization // J. Soils Sediments. 2008. V. 8. P. 340–348. https://doi.org/10.1007/s11368-008-0032-2
  67. Nugent A., Allison S.D. A framework for soil microbial ecology in urban ecosystems // Ecosphere. 2022. V. 13. P. e3968. https://doi.org/10.1002/ecs2.3968
  68. O’Riordan R., Davies J., Stevens C., Quinton J.N., Boyko C. The ecosystem services of urban soils: A review // Geoderma. 2021. V. 395. P. 115076. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115076
  69. Pastukhov A., Kovaleva V., Kaverin D. Microbial community structure in ancient European Arctic Peatlands // Plants. 2022. V. 11. P. 2704. https://doi.org/10.3390/plants11202704
  70. Seifert K., Morgan-Jones G., Gams W., Kendrick B. The genera of Hyphomycetes. Utrecht: CBS Reus, 2011.
  71. Son D., Lee E.J. Soil Microbial Communities Associated with Three Arctic Plants in Different Local Environments in Ny-Ålesund, Svalbard // J. Microbiol Biotechnol. 2022. V. 32. P. 1275-1283. https://doi.org/10.4014/jmb.2208.08009
  72. Tang J., Zhang J., Ren L., Zhou Y., Gao J., Luo L., Yang Y., Huang H., Chen A. Diagnosis of soil contamination using microbiological indices: A review on heavy metal pollution // J. Environ. Management. 2019. V. 242. P. 121–130. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.04.061
  73. Vasenev V., Kuzyakov Y. Urban soils as hot spots of anthropogenic carbon accumulation: Review of stocks, mechanisms and driving factors // Land Degradation Development. 2018. V. 29. P. 1607–1622. https://doi.org/10.1002/ldr.2944
  74. Vasenev V., Varentsov M., Konstantinov P., Romzaykina O., Kanareykina I., Dvornikov Y., Manukyan V. Projecting urban heat island effect on the spatial-temporal variation of microbial respiration in urban soils of Moscow megalopolis // Sci. Total Environ. 2021. V. 786. P. 147457. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147457
  75. Zhang M.K., Ke Z.X. Heavy metals, phosphorus and some other elements in urban soils of Hangzhou City, China // Pedosphere. 2004. V. 14. P. 177–185.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences