Spatio-temporal differentiation in the intensity of organic matter biological destruction in urban soils under the impact of motor vehicles

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The aim of the study was the assessment of the intensity of organic matter transformation in urban soils impacted by auto transport. Thorough seasonal field studies were carried out in 2023–2024 in the southwestern part of Moscow (Russian Federation). The chemical properties of soils, as well as their biological activity, were studied. For assessing organic matter biological destruction two indicators were used, cellulolytic activity and biological oxygen consumption. The pH value of roadside soils was 7.8 ± 0.6 units, electrical conductivity was 185 ± 98 μS/cm, and the organic carbon content was 4.8 ± 2.1%, which corresponds to literary data on urban soils in Moscow. It has been revealed that the biological activity of soils of roadside lawns and median strips is characterized by significant dispersion of values, from 38 to 87%, depending on the season. The highest rates of cellulolytic activity in roadside soils were determined in the summer-autumn and spring observation periods, 11.9 ± 7.6 and 12.0 ± 3.0 mg of readily organic matter mg/(g day), respectively. During the cold season it was several times less, 4.1 ± 3.1 mg/(g day). In spring the biological activity of urbo-soody-podzolic soils (Retisols Prototechnic) in central parts of large urban greenery areas was 6 times lower than in roadside soils. In other seasons, no reliable dependences were found between the studied indicators and the intensity of traffic. The leading factors determining the intensity of organic matter biological destruction in urban soils under the impact of auto transport are specific soil formation in constructozems (Technosols), urban microclimate, as well as diversity in geochemistry of roadside soils due to applying chemicals in roads maintenance work.

Full Text

Restricted Access

About the authors

P. P. Krechetov

Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: krechetov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0116-0316
Russian Federation, Moscow, 119991

O. V. Chernitsova

Lomonosov Moscow State University

Email: krechetov@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

A. V. Sharapova

Lomonosov Moscow State University

Email: krechetov@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

N. A. Mushnikova

Lomonosov Moscow State University

Email: krechetov@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

M. V. Sushentsova

Lomonosov Moscow State University

Email: krechetov@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

References

  1. Абашеева H.Е., Инешина Е.Г., Меркушева М.Г., Кожевникова Н.М., Митыпов Б.Б. Влияние лантансодержащих микроудобрений на биологическую активность каштановой почвы // Агрохимия. 2003. № 8. С. 39–44.
  2. 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
  3. Апарин Б.Ф., Сухачева Е.Ю., Булышева А.М., Лазарева М.А. Гумусовые горизонты почв урбоэкосистем // Почвоведение. 2018. № 9. С. 1071–1084.
  4. Брянская И.П., Васенев В.И., Брыкова Р.А., Маркелова В.Н., Ушакова Н.В., Госсе Д.Д., Гавриленко Е.В., Благодатская Е.В. Анализ ввозимых почвогрунтов для прогнозирования запасов углерода в почвенных конструкциях Московского мегаполиса // Почвоведение. 2020. № 12. С. 1537–1546. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600385
  5. Васенев В.И., Ван Ауденховен А.П., Ромзайкина О.Н., Гаджиагаева Р.А. Экологические функции и экосистемные сервисы городских и техногенных почв: от теории к практическому применению (обзор) // Почвоведение. 2018. № 10. С. 1177–1191. https://doi.org/10.1134/S0032180X18100131
  6. Власов Д.В., Кукушкина О.В., Кошелева Н.Е., Касимов Н.С. Уровни и факторы накопления металлов и металлоидов в придорожных почвах, дорожной пыли и их фракции РМ10 в Западном округе Москвы // Почвоведение. 2022. № 5. С. 538–555. https://doi.org/10.31857/S0032180X22050112
  7. Воробейчик Е.Л. Сезонная динамика пространственного распределения целлюлозолитической активности почвенной микрофлоры в условиях атмосферного загрязнения // Экология. 2007. № 6. С. 427–437.
  8. Востров И.С., Петрова А.Н. Определение биологической активности почвы различными методами // Микробиология. 1961. № 30. С. 665–669.
  9. 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
  10. 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. 1087-1096.
  11. Дорохова М.Ф., Исаченкова Л.Б. Биологическая активность почв территории научно-учебной станции МГУ “Сатино” // Вестник Моск. ун-та. Сер. 5, география. 2008. № 6. С. 34–38.
  12. Ермолаев А.М., Ширшова Л.Т., Медведева И.Ф., Быховец С.С. Динамика целлюлозолитической активности серой лесной почвы под сеяным лугом различного режима использования // Почвоведение. 1991. № 1. С. 59–66.
  13. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М.: Изд-во МГУ,1987. 256 с.
  14. Иванников Ф.А. Трансформация почвоподобных техногенных образований в условиях урбоэкосистемы (на примере г. Москвы). Автореф. дис. … канд. биол. наук. М., 2011. 25 с.
  15. Иванова А.Е., Николаева В.В., Марфенина О.Е. Изменение целлюлозолитической активности городских почв в связи с изъятием растительного опада (на примере Москвы) // Почвоведение. 2015. № 5. С. 562–570.
  16. Колесников С.И., Кузина А.А., Вернигорова Н.А., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В. Биологические свойства желтозема при загрязнении нефтью и тяжелыми металлами // Агрохимия. 2016. № 11. С. 58–64.
  17. Кошелева Н.Е., Дорохова М.Ф., Кузьминская Н.Ю., Рыжов А.В., Касимов Н.С. Влияние автотранспорта на экологическое состояние почв в Западном административном округе Москвы // Вестник Моск. ун-та. Сер. 5, география. 2018. № 2. С. 16–27.
  18. Методика выполнения измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошковых пробах почв рентгенофлуоресцентным методом. М049-П/04. СПб.: ООО “НПО Спектрон”, 2016. 18 с.
  19. Методические рекомендации по гигиеническому обоснованию ПДК химических веществ в почве. М.: Мин-во здравоохранения СССР, 1982. 57 с.
  20. Мишустин Е.Н., Петрова А.Н. Определение биологической активности почвы // Микробиология. 1963. № 32 (3). С. 478–483.
  21. 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. 45–50.
  22. Прокофьева Т.В., Мартыненко И.А., Иванников Ф.А. Систематика почв и почвообразующих пород Москвы и возможность их включения в общую классификацию // Почвоведение. 2011. № 5. С. 611–623.
  23. Прокофьева Т.В., Герасимова М.И., Безуглова О.С., Бахматова К.А., Гольева А.А., Горбов С.Н., Жарикова Е.А., Матинян Н.Н., Наквасина Е.Н., Сивцева Н.Е. Введение почв и почвоподобных образований городских территорий в классификацию почв России // Почвоведение. 2014. № 10. С. 1155–1164.
  24. Пряженникова О.Е. Целлюлозолитическая активность почв в условиях городской среды // Вестник Кемер. ГУ. 2011. № 3. С. 10–13.
  25. Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности Земного шара. М.: Наука, 1965. 254 с.
  26. Смагин А.В., Смагина М.В., Садовникова Н.Б. Биологическое потребление кислорода в почвах и подстилках // Почвоведение. 2018. № 3. C. 304–317. https://doi.org/10.7868/S0032180X1803005X
  27. Строганова М.Н., Мягкова А.Д., Прокофьева Т.В. Городские почвы: генезис, классификация, функции // Почва, город, экология. М.: Фонд “За экономическую грамотность”, 1997. C. 15–88.
  28. Теория и практика химического анализа почв. М.: ГЕОС 2006. 400 с.
  29. Шарапова А.В., Семенков И.Н., Кречетов П.П., Леднев С.А., Королева Т.В. Влияние керосина на целлюлозолитическую активность дерново-подзолистой и песчаной пустынной почв (лабораторный эксперимент) // Почвоведение. 2022. № 2. С. 244–251. https://doi.org/10.31857/S0032180X22020113
  30. Яковлева Е.В., Хабибуллина Ф.М., Виноградова Ю.А., Безносиков В.А., Кондратенок Б.М. Микробиологическая активность почв, загрязненных бенз(a)пиреном // Агрохимия. 2010. № 11. С. 63–69.
  31. Bardgett R., van der Putten W. Belowground biodiversity and ecosystem functioning // Nature. 2014. V. 515. P. 505–511. https://doi.org/10.1038/nature13855
  32. Bityukova V.R., Mozgunov N.A. Spatial Features Transformation of Emission from Motor Vehicles in Moscow // Geogr. Environ. Sustain. 2019. V. 12. P. 57–73. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2019-75
  33. Chernova O.V., Duschanova K.S., Petrosyan A.A., Khomutova T.E. Problems of Estimation of Microbial Biomass in Soddy-Podzolic Soils (Forests of the Protected Areas of Moscow Region) // Eurasian Soil Sc. 2024. V. 57. P. 1231–1243. https://doi.org/10.1134/S1064229324600416
  34. Chew I., Obbard J.P., Stanforth R.R. Microbial cellulose decomposition in soils from a rifle range contaminated with heavy metals // Environ. Pollut. 2001. V. 111. P. 367-375. https://doi.org/10.1016/S0269-7491(00)00094-4
  35. Francini G., Hui N., Jumpponen A., Kotze D.J., Romantschuk M., Allen J.A., Setälä H. Soil biota in boreal urban greenspace: Responses to plant type and age // Soil Biol. Biochem. 2018. V. 118. P. 145–155. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2017.11.019
  36. Gavrichkova O., Brykova R.A., Brugnoli E., Calfapietra C., Cheng Z., Kuzyakov Y., Liberati D., Moscatelli M.C., Pallozzi E., Vasenev V.I. Secondary soil salinization in urban lawns: Microbial functioning, vegetation state, and implications for carbon balance // Land Degrad. Dev. 2020. V. 17. P. 2591–2604. https://doi.org/10.1002/ldr.3627
  37. Gerasimova M.I., Chernitsova O.V., Vasil’chuk J.Yu., Kosheleva N.E. GIS mapping of the soil cover of an urbanized territory: drainage basin of the Setun river in the west of Moscow (Russian Federation) // Geogr. Environ. Sustain. 2024. V. 17. P. 131–138. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2024-3136
  38. Gómez-Brandón M., Herbón 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
  39. Datta R. Enzymatic degradation of cellulose in soil: A review // Heliyon. 2024. V. 10. P. e24022. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e24022
  40. Deeb M., Groffman P. M., Blouin M., Egendorf S. P., Vergnes A., Vasenev V., Cao D. L., Walsh D., Morin T., Séré G. Using constructed soils for green infrastructure – challenges and limitations // Soil. 2020. V. 6. P. 413–434. https://doi.org/10.5194/soil-6-413-2020
  41. Hayakawa Ch., Funakawa Sh., Fujii K., Kadono A., Kosaki T. Effects of climatic and soil properties on cellulose decomposition rates in temperate and tropical forests // Biol. Fertil. Soils. 2014. V. 50. P. 633–643. https://doi.org/10.1007/s00374-013-0885-4
  42. Jouanneau S., Recoules L., Durand M.J., Boukabache A., Picot V., Primault Y., Lakel A., Sengelin M., Barillon B., Thouand G. Methods for assessing biochemical oxygen demand (BOD): A review // Water Res. 2014. V. 49. P. 62–82. https://doi.org/10.1016/j.watres.2013.10.066
  43. Kosheleva N.E., Vlasov D.V., Korlyakov I.D., Kasimov N.S. Contamination of urban soils with heavy metals in Moscow as affected by building development // Sci. Total Environ. 2018. V. 636. P. 854–863. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.04.308
  44. Krechetov P.P., Sharapova A.V., Semenkov I.N., Koroleva T.V. Protocol of conjugate evaluation of the biological activity of soils in terms of cellulolytic activity and biological consumption of oxygen // Methodsx. 2022. V. 9. 101841. https://doi.org/10.1016/j.mex.2022.101841
  45. Latter P.M., Walton D.W.H. The cotton strip assay for cellulose decomposition studies in soil: history of the assay and development // Cotton strip assay: an index of decomposition in soils. NERC, 1988. P. 7–10.
  46. Lorenz K., Lal R. Biogeochemical C and N cycles in urban soils // Environ. Int. 2009. V. 35. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.envint.2008.05.006
  47. Mankiewicz P., Morin T., Cheng Z. Soils in Green Infrastructure // Soils within Cities. Global approaches to their sustainable management – composition, properties and functions of soils of the urban environment. Stuttgart: Schweizerbart Sci. Publ., 2017. P. 139–147.
  48. Mendelssohn I.A., Slocum M.G. Relationship between soil cellulose decomposition and oil contamination after an oil spill at Swanson Creek, Maryland // Mar. Pollut. Bull. 2004. V. 48. P. 359–370. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2003.08.015
  49. Morel J.L., Chenu C., Lorenz K. Ecosystem services provided by soils of urban, industrial, traffic, mining, and military areas (SUITMAs) // J. Soil Sediment. 2015. V. 15. P. 1659–1666. https://doi.org/10.1007/s11368-014-0926-0
  50. Nachimuthu G., Hundt A., Palmer B., Schwenke G.D., Knox O.G.G. Cotton strip assay detects soil microbial degradation differences among crop rotation and tillage experiments on Vertisols // J. Microbiol. Methods. 2022. V. 200. P. 106558. https://doi.org/10.1016/j.mimet.2022.106558
  51. Orlova K. S., Savin I.Yu. Ecosystem Services Provided by Urban Soils and Their Assessment: A Review // Eurasian Soil Sc. 2024. V. 57. P. 1072–1083. https://doi.org/10.1134/S1064229324600155
  52. Pindral S., Kot R., Hulisz P. The influence of city development on urban pedodiversity // Sci. Rep. 2022. V. 12. P. 6009. https://doi.org/10.1038/s41598-022-09903-5
  53. Pouyat R.V., Day S.D., Brown S., Schwarz K., Shaw R.E., Szlavecz K., Trammell T.L.E., Yesilonis I.D. Urban Soils // Forest and Rangeland Soils of the United States Under Changing Conditions. Cham: Springer, 2020. P. 127–144. https://doi.org/10.1007/978-3-030-45216-2_7
  54. Prokof’eva T., Umarova A., Bykova G., Suslenkova M., Ezhelev Z., Kokoreva A., Gasina A., Martynenko I. Morphological and physical properties in diagnostics of urban soils: case study from Moscow, Russia // Soil Sci. Annu. 2020. V. 71. P. 309–320. https://doi.org/10.37501/soilsa/131598
  55. Romzaykina O.N., Vasenev V.I., Paltseva A., Kuzyakov Y.V., Neaman A., Dovletyarova E.A. Assessing and mapping urban soils as geochemical barriers for contamination by heavy metal(loid)s in Moscow megapolis // J. Environ. Qual. 2021. V. 50. P. 22–37. https://doi.org/10.1002/jeq2.20142
  56. Sun Q., Fang H.L., Liang J., Qian X.W., Liu M. da, Zhang Q.F., Hao R.J., Hao G.J. Soil respiration characteristics of typical urban lawns in Shanghai // Chinese J. Ecol. 2009. V. 28. P. 1572–1578.
  57. Sushko S., Ananyeva N., Ivashchenko K., Vasenev V., Kudeyarov V. Soil CO2 emission, microbial biomass, and microbial respiration of woody and grassy areas in Moscow (Russia) // J. Soil Sediment. 2019. V. 19. P. 3217–3225. https://doi.org/10.1007/s11368-018-2151-8
  58. Taok M., Cochet N., Pauss A., Schoefs O. Monitoring of microbial activity in soil using biological oxygen demand measurement and indirect impedancemetry // Eur. J. Soil Biol. V. 4. P. 335–340. https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2007.03.007
  59. Técher D., Aran D., De Silva M., Claverie R., Erbrech M., Bojic C., Goncalves V., Maunoury-Danger F. Field evaluation of the cotton-strip assay for quantifying decomposition rates in extensive green roof substrates // Urban For. Urban Green. V. 94. 2024. 128292. https://doi.org/10.1016/j.ufug.2024.128292
  60. Vasenev V., Kuzyakov Y. Urban soils as hot spots of anthropogenic carbon accumulation: Review of stocks, mechanisms and driving factors // Land Degrad. Dev. 2018. V. 29. P. 1607–1622. https://doi.org/10.1002/ldr.2944
  61. 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
  62. Yang J.-L., Zhang G.-L. Formation, characteristics and eco-environmental implications of urban soils – A review // Soil Sci. Plant Nutr. 2016. V. 61. P. 30–46. https://doi.org/10.1080/00380768.2015.1035622

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Additional materials
Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 1. Sampling points. ЗИ – point on a green infrastructure object; П – point on an intersection; points on roads with different traffic intensities: Н – low, С – medium, В – high; motorways: 1 – federal, 2 – citywide, 3 – district.

Download (958KB)
Indexing metadata
4. Fig. S1. Climatic conditions during the study period.

Download (75KB)
Indexing metadata
5. Fig. S2. Chemical properties of soils.

Download (110KB)
Indexing metadata
6. Fig. S3. Biological activity of soils

Download (109KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».