On ecosystem functions of the technozem humusogenic layer in the remote period of soiling of coal mining waste dumps in Siberia

Main Article Content

Valentina S. Artamonova
Svetlana B. Bortnikova
Vladimir A. Andrоhanov

Abstract

People strove for creating productive soils to increase the yield of cultivated crops since prehistoric times. Currently, restoration of soil properties is relevant for areas affected by mining. In Siberia, long-term coal mining has led to significant destruction of the soil cover, accumulation of overburden and host rocks on the daytime surface. This initiated the search for resource-saving technologies to compensate for soil losses, including methods of formation of artificial soil-like bodies with a deposited fertile layer for subsequent agricultural use. This article presents the results of a study of physicochemical and microbiological properties of the humus-accumulative layer after 40 years of man-made wasteland soiling in three natural zones (sub-taiga, forest-steppe, dry-steppe) in order to characterize the ecosystem functions that ensure fertility. It was established that the humus layer of perennial technogenic soils (technozems) has ecosystem functions of background soils, however, in the forest-steppe and dry-steppe zones it shows signs of decreased resistance to elevated pH, increased ecotoxicants, reduced organic carbon reserves and a pool of metabolic active nitrogen-fixing bacteria. In arid conditions, the greatest biogenic depletion of technozems is diagnosed, the manifestation of an inertial mutation of bacterial populations, ensuring their dissociation and preservation in extreme habitats. The information can be used to characterize ecosystem functions and ecosystem services of long-term technozems, in forecasts of the effectiveness of man-made wasteland management in different natural zones, and taken into account in the development of nature-like technologies.

Article Details

How to Cite
Artamonova В. С. ., Bortnikova С. Б. ., & Andrоhanov В. А. . (2024). On ecosystem functions of the technozem humusogenic layer in the remote period of soiling of coal mining waste dumps in Siberia. Bulletin of Perm University. Biology, (1), 92–106. https://doi.org/10.17072/1994-9952-2024-1-92-106
Section
Почвоведение
Author Biographies

Valentina S. Artamonova, Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS, Novosibirsk, Russia

Doctor of biology, associate professor, leading researcher of the Department of soil reclamation

Svetlana B. Bortnikova, Trofimuk Institute of Petroleum Geology and geophysics of the SB RAS, Novosibirsk, Russia

Doctor geology, professor, head of the Department of Geoelectrochemistry

Vladimir A. Andrоhanov, Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS, Novosibirsk, Russia

Doctor of biology, Director of the Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAN

References

Азарова С.В., Васиков У.Г., Ильинских Н.Н. Оценка экологической опасности отходов горнодобы-вающих предприятий республики Хакасия с применение метода биотестирования // Известия Томского политехнического ун-та. 2004. Т. 307, № 4. С. 55–59.

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.

Ананьева Н.Д. и др. Биофильные элементы (С, N, Н) и дыхательная активность микробного сооб-щества лесопарков Москвы и пригородных лесов // Почвоведение. 2023. № 1. С. 102–117. DOI: 10.31857/S0032180Х22600780

Андроханов В.А., Курачёв В.М. Почвенно-экологическое состояние техногенных ландшафтов: ди-намика и оценка / отв. ред. А.И. Сысо. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. 224 с.

Артамонова В.С., Бортникова С.Б., Оплеухин А.В. Техногенное загрязнение почв подотвальными водами в районе угледобычи // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2016. Вып. 4(28). С. 38–45.

Артамонова В.С., Бортникова С.Б., Оплеухин А.В. Фитотоксичность лежалых отходов цианирова-ния золотосодержащей руды на территории накопленного экологического ущерба // Вестник Пермского университета. Сер. Биология. 2020. Вып. 1. С. 33–40.

Архипов А.Л. Геоэкологическое и экогеохимическое состояние геоэкологической среды Южно-Минусинской котловины (республика Хакасия): автореф. дис. …канд. геол.-минер. наук. Томск, 2011. 23 с.

Богуславский А.Е. и др. Геохимический фон тяжёлых металлов в почвах и растениях на участках отвалов угольных месторождений // Известия Алтайского отделения Русского географического обще-ства. Сер. Геология. 2021. № 2(61). С. 40–49.

Болдырев В.А. и др. Интерпретация результатов определения гранулометрического состава почв методом лазерной дифракции // Фундаментальные концепции физики почв: развитие, современные при-ложения и перспективы: материалы Междунар. конф. М., 2019. C. 114–118. DOI: 10.31453/kdu.ru.91304.0065.

Бондаренко Е.В. Опыт учёта экосистемных сервисов почв при оценке деградации земель (на при-мере УО ПЭЦ МГУ): дис. … канд. биол. наук. М., 2016. 121 с.

Васенев В.И. и др. Экологические функции и экосистемные сервисы городских и техногенных почв: от теории к практическому применению (обзор) // Почвоведение. 2018. № 10. С. 1177–1191.

Всемирным сельскохозяйственным наследием признаны в мире 52 объекта. 2018. URL: https://foodindustry.kz/vsemirnym-selskohozyajstvennym-naslediem-priznany-s-mire-52-obekta/?ysclid=lifr2l8c18 44759192 (дата обращения: 18.05.2023).

Герасимова М.И. и др. Антропогенные почвы: генезис, география, рекультивация / отв. ред. Г.В. Добровольский. Смоленск: Ойкумена, 2003. 268 с.

Герасимова М.И. Международная классификация почв и возможности её применения в географи-ческих исследованиях // Вестник Московского ун-та. Сер. 5. География. 2019. № 3. С. 49–56.

Довлетярова Э.А. Функционально-экологическая оценка почв в условиях антропогенной нагрузки мегаполиса и промышленного предприятия: автореф. дис. … д-ра биол. наук. М., 2023. 50 с.

Завалин А.А., Соколов О.А., Шмырева Н.А. Экология азотфиксации. М., 2019. 252 с.

Касимов Н.С., Власов Д.В. Кларки химических элементов как эталоны сравнения в экогеохимии // Вестник Московского ун-та. Сер. 5. География. 2015. № 2. С. 7–17.

Костычев П.А. Изслъдованiе почвъ изъ виноградниковъ Крыма и Кавказа //Въестникъ Винодълiя. 1892. № 1, 2. С. 1–23.

Мулюкин А.Л., Козлова Н.Н., Эль-Регистан Г.И. Свойства фенотипических диссоциантов бакте-рий Pseudomonas aurantica и Pseudomobas fluorescens // Микробиология. 2008. Т. 77, № 6. С. 766–776.

Назарюк В.М. Баланс и трансформация азота в агроэкосистемах / отв. ред. В.Б. Ильин. Новоси-бирск: Изд-во СО РАН, 2002. 257 с.

Национальный атлас почв Российской Федерации / отв. ред. чл.-корр. РАН С.А. Шоба. М.: Аст-рель, АСТ, 2011. 632 с.

Окунев Р.В., Сунгатуллина Л.М., Григорьян Б.Р. Влияние арсената (V) натрия на содержание сво-бодных и связанных аминокислот растворённого органического вещества почвы // Вестник Крас. ГАУ. 2015. № 6. С. 9–12.

Пинский Д.Л. и др. Особенности сорбции меди чернозёмами различного гранулометрического со-става // Фундаментальные концепции физики почв: развитие, современные приложения и перспективы: материалы Междунар. конф. М., 2019. C. 385–389. DOI: 10.31453/kdu.ru.91304.0065.

Пищик В.Н. и др. Механизмы адаптации растений и микроорганизмов в растительно-микробных системах к тяжёлым металлам // Микробиология. 2016. Т. 85, № 3. С.232–247.

Пучков Е.О. Немножко умереть // Химия и жизнь. 2015. № 1. С. 1–23.

Фарходов Ю.Р. Молекулярный состав лабильного и стабильного органического вещества типич-ных чернозёмов разного вида использования: автореф. дис. … канд. биол. наук. М., 2022. 24 с.

Хотимченко М.Ю. Сорбционные свойства и фармакологическая активность некрахмальных поли-сахаридов: дис. … д-ра мед. наук. Владивосток, 2011. 327 с.

Шаврина К.Ф. Конкурентное взаимодействие цинка, кальция и магния в системе дерново-подзолистая почва – растения: автореф. … дис. канд биол. наук. СПб., 2021. 26 с.

Шарков И.Н. и др. Воспроизводство гумуса как составная часть системы управления плодороди-ем почвы: метод. пособие. Новосибирск, 2010. 36 с.

Швабенланд И.С. Запас лабильного органического вещества в почвах Хакасии // Геоэкологиче-ские проблемы почвоведения и оценки земель: материалы Междунар. науч. конф. Томск, 2002. С. 210–211.

Швабенланд И.С., Мажайский Ю.А. Геолого-почвенная характеристика Минусинского прогиба на примере Черногорского каменноугольного месторождения // Агрохимический вестник. 2011. № 6. С. 2–4.

Язиков Е.Г., Худяков В.М., Азарова С.В. Геоэкологические проблемы угледобывающих предприя-тий и геохимическая оценка воздействия отвалов на почвы (на примере угольного разреза Чалпан, рес-публика Хакасия) // Известия Томского политехнического университета. 2002. Т. 305, вып. 6. С. 433–445.

Aasfar А. et al. Nitrogen Fixing Azotobacter Species as Potencial Soil Biological Enhancers for Crop Nu-trition and Yield Stability // Front. Microbiol. 2021. Vol. 12. Р. 1–19. DOI: 10.3389/fmicb.2021.628379.

Aquilanti L., Favilli F., Clementi F. Comparison of different strategies for isolation and preliminary iden-tification of Azotobacter from soil samples // Soil Biology and Boochemistry. 2004. Vol. 36. P. 1475–1483.

Barman D., Dutta I., Jha D.K. Heavy metal resistant bacteria from coal dumping site with plant growth promoting potentials // Biologia. 2022. Vol. 77. P. 533–545. URL: https://doi.org/10.1007/s11756-021-00963-y.

Chennappa Gurikar C. et al. Azotobacter – a potential symbiotic rhizosphere // Rhizosphere Engineering: Academic press, 2022. P. 97–112. URL: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-89973-4.00010-7.

Dhuldhaj U.P. et al. Microbial interactions in the arsenic cycle: adoptive strategies and applications in environmental management // Reviews Environmental Contamination and Toxicology. 2013. Vol. 24. P. 1–38. DOI: 10.1007/978-1-4614-5 882-1_1.

Gauri Samiran S. et al. Removal of arsenic from aqueous solution using pottery granules coated with cyst of Azotobacter and portland cement: characterization, kinetics and modeling // Bioresource Technology. 2011. 102(10). P. 6308–6312. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.02.037.

Guzmán-Moreno J. et al. Bacillus megaterium HgT21: a Promising Metal Multiresistant Plant Growth-Promoting Bacteria for Soil Biorestoration // Microbiology Spectrum. 2022. Vol. 10, № 5: e0065622. DOI: 10.1128/spectrum.00656-22. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35980185/.

Herter S. et al. Investigating the effects of metals on phenol oxidaseproducting nitrogen-fixing Azotobac-ter chroococcum // J. Basic Microbiol. 2013. Vol. 53, № 6. P. 509–517. DOI: 10.1002/jobm.201100443.

Hirst K. Kris. Chinampa: Raised Field Agriculture in the Americas // Chinampa of Floating Gardens. Thought Co, 2021. URL: https://www.thoughtco.com/chinampa-floating-gardens-170337 (дата обращения: 18.05.2023).

Maia M., Sanchez J.M., Vela G. Plasmids of Azotobacter vinelandii // Journal of Bacteriology. 1988. Vol. 170. № 4. P. 1984–1985.

Маlynovska І.М. Effect of heavy metal ions on the numberand activity of Azotobacter and melanin synthesizing micromycetes // Biotechnologia Acta. 2017. Vol. 10, № 3. P. 65–71.

Ngumah C. et al. Impacts of different concentrations of Copper and Zinc on in vitro responses of Azoto-bacter chroococum in biomass and nitrogen fixing outputs // Ecotoxicol. Environ. Contam. 2018. Vol. 13, № 1. P. 79–83. DOI: 10.5132/eec.2018.01.09.

Rajakaruna H., Boyd R.S. Edaphic Factor // Encyclopedia of Ecology, 2019. Bd. 3. P. 361–367.

Sekowska A. et al. Bacterial variations on the methionine salvage pathway // BMC Microbiology. 2004. Vol. 4, № 9. P. 1–17. URL: https://doi.org/10.1186/1471-2180-4-9.

Wyss O., Neumann M.G., Socolofsky M.D. Development and germination of the Azotobacter cyst // Journal of Biophysical and Biochemical Cytology. 1961. Vol. 10. P. 555–565.