Ecotoxicity of Dust from Different Functional Areas of Moscow

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

There are only few studies in the world on ecotoxicity of urban dust as its ability to cause adverse effects to living organisms. The aim of the research is to assess the ecotoxicity of dust by the reaction of higher plants using a new approach, as well as to analyze the differentiation of microbial reaction on dust from recreational, residential and transport functional areas of three Moscow districts. The proposed approach of the urban dust ecotoxicity assessment by the modeling of dust transfer on urban soils proved its consistency and resolved the main methodological difficulty of biotesting – the issue of control choosing. Applying ryegrass (Lollium perenne L.), it was found that the annual volume of dust deposition on soils in Moscow does not perform toxicity, while a three-year volume suppresses plants up to 27% relative to the control. No significant differences between the phytotoxicity of dust in different functional areas was found, and phytotoxicity did not correlate with any of the studied properties of dust (organic carbon content, pH, electrical conductivity, moisture capacity, particle size distribution). In contrast to plants, the parameters of the vital activity of microorganisms in dust revealed differences between functional areas. Basal respiration and microbial dust biomass were maximal in the recreational areas of the city (3.1–7.2 μg C–CO₂g–1 h–1 and 314–435 μg g–1 respectively), decreasing by 27–71% in residential and 76–81% in the transport ones. Significant correlations of basal respiration and microbial biomass with organic carbon content were observed.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. A. Kulachkova

Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: nikolaevalisovitskaya@gmail.com
Russian Federation, Moscow, 119991

A. A. Astaykina

Lomonosov Moscow State University

Email: nikolaevalisovitskaya@gmail.com
Russian Federation, Moscow, 119991

M. S. Rozanova

Lomonosov Moscow State University

Email: nikolaevalisovitskaya@gmail.com
Russian Federation, Moscow, 119991

O. A. Chistova

Educational and Experimental Soil and Ecological Center of Lomonosov Moscow State University

Email: nikolaevalisovitskaya@gmail.com
Russian Federation, Chashnikovo, 141592

References

  1. Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Рыжова И.М., Бочарникова Е.О., Стольникова Е.В. Углерод микробной биомассы и микробное продуцирование двуокиси углерода дерново-подзолистыми почвами постагрогенных биогеоценозов и коренных ельников южной тайги (Костромкая область) // Почвоведение. 2009. № 9. С. 1108–1116.
  2. Ачкасов А.И., Башаркевич И.Л., Варава К.В., Самаев С.Б. Загрязнение снегового покрова под влиянием противогололедных реагентов // Разведка и охрана недр. 2006. № 9–10. С. 132–137.
  3. Безбердая Л.А. Тяжелые металлы в дорожной пыли города Алушты // Экологические проблемы промышленных городов: сборник научных трудов по материалам 8-й Международной научно-практической конференции, Саратов, 20–22 апреля 2017 г. Саратов: Саратовский гос. техн. ун-т им. Ю.А. Гагарина, 2017. С. 119–123.
  4. Безбердая Л.А., Касимов Н.С., Черницова О.В., Лычагин М.Ю., Ткаченко А.Н. Тяжелые металлы и металлоиды в почвах, дорожной пыли и их фракции РМ10 в Севастополе: уровни, источники и опасность загрязнения // Почвоведение. 2022. № 12. С. 1571–1591.
  5. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М., 1986. 242 с.
  6. Власов Д.В., Касимов Н.С., Кошелева Н.Е. Геохимия дорожной пыли (Восточный округ Москвы) // Вестник Моск. ун-та. Сер. 5, география. 2014. № 3. С. 23–33.
  7. 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.
  8. Воробьева Л.А. Теория и практика химического анализа почв. М.: ГЕОС, 2006, 400 с.
  9. Воробьева Л.А., Глебова Г.И., Горшкова Е.И. Физико-химические методы исследования почв. М., 1980.
  10. Доклад “О состоянии окружающей среды в городе Москве в 2021 году” / Под ред. Кульбачевского А.О. М., 2022 234 с. https://www.mos.ru/eco/documents/doklady/view/ 271573220/
  11. Иващенко К.В., Ананьева Н.Д., Васенев В.И., Кудеяров В.Н., Валентини Р. Биомасса и дыхательная активность почвенных микроорганизмов в антропогенно-измененных экосистемах // Почвоведение. 2014. № 9. С. 1077–1088.
  12. Капелькина Л.П., Бардина Т.В., Бакина Л.Г. Методика выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности техногенно загрязненных почв. М-П-2006. ФР.1.39.2006.02264. СПб., 2009.
  13. Кошелева Н.Е. и др. Физико-химические свойства дорожной пыли Москвы // Снежный покров, атмосферные осадки, аэрозоли: технология, климат и экология. 2018. С. 86–91.
  14. Ладонин Д.В., Пляскина О.В. Изотопный состав свинца в почвах и уличной пыли Юго-восточного административного округа г. Москва // Почвоведение. 2009. № 1. С. 106–118.
  15. Лисовицкая О.В., Терехова В.А. Фитотестирование: основные подходы, проблемы лабораторного метода и современные решения // Доклады по экологическому почвоведению. 2010. № 1. Вып. 13. C. 1–18.
  16. Макарова Н.В., Григорьева С.В. Геоморфологическое районирование территории Москвы в новых границах // Геоморфология. 2018. № 4. С. 56–68
  17. Николаева О.В., Кулачкова С.А., Астайкина А.А., Федосеева Е.В., Терехова В.А. Экотоксичность городской пыли: существующие практики и перспективы применения биотестирования. // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2022. № 3. С. 3–19.
  18. Николаева О.В., Терехова В.А. Совершенствование лабораторного фитотестирования для экотоксикологической оценки почв // Почвоведение. 2017. № 9. С. 1141–1152.
  19. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса. М., 1981.
  20. Постановление Правительства Москвы от 27 июля 2004 г. N514-ПП “О повышении качества почвогрунтов в городе Москве”. https://docs.cntd.ru/document/3654347
  21. Прокофьева Т.В., Шишков В.А., Кирюшин А.В., Калушин И.Ю. Свойства твердых (пылеаэрозольных) атмосферных выпадений придорожных территорий г. Москвы // Известия РАН. Сер. Географическая. 2015. № 3. С. 107–120.
  22. Прокофьева Т.В., Шоба С.А., Лысак Л.В. и др. Органические компоненты и биота в составе городского атмосферного пылеаэрозоля: потенциальное влияние на городские почвы // Почвоведение. 2021. № 10. С. 1247–1261.
  23. Пукальчик М.А., Терехова В.А., Карпухин М.М., Вавилова В.М. Сравнение элюатных и контактных методов биотестирования при оценке почв, загрязненных тяжелыми метал лоидами // Почвоведение. 2019. № 4. https://doi.org/10.1134/S0032180X19040117
  24. Раджабов Р.А., Дорожкина Л.А., Янишевская О.Л. Анализ существующего положения по выполнению озеленительных работ в г. Москве и совершенствованию технологии выращивания газонов // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2007. № . 3. С. 128–131.
  25. Сергина Н.М., Брязгина Е.О., Сущенко Р.В., Азарова М.Д. Исследования загрязнения мелкодисперсной пылью воздушной среды в парковых зонах большого промышленного города // Вестник Волгоградского гос. архитектурно-строительного ун-та. Сер. Строительство и архитектура. 2022. № 4(89). С. 231–239.
  26. Терехова В.А. Биотестирование экотоксичности почв при химическом загрязнении: современные подходы к интеграции для оценки экологического состояния (обзор) // Почвоведение. 2022. № 5. C. 586–599.
  27. Acosta J.A., Acosta J.A., Gabarrón M., Faz A., Martínez-Martínez S., Zornoza R., Arocena J.M. Influence of population density on the concentration and speciation of metals in the soil and street dust from urban areas // Chemosphere. 2015. V. 134. P. 328–337. http://dx.doi.org/10.1016/j.chemosphere.2015.04.038
  28. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978. V. 10(3). P. 215–221.
  29. Bao C., Yong M., Bi L., Gao H., Li J., Bao Y., Gomboludev P. Impacts of underlying surface on the dusty weather in central Inner Mongolian steppe, China // Earth and Space Science. 2021. V. 8(9). P. 1–17. https://doi.org/10.1029/2021EA001672
  30. Bezberdaya L., Kosheleva N., Chernitsova O., Lychagin M., Kasimov N. Pollution Level, Partition and Spatial Distribution of Benzo(a)pyrene in Urban Soils, Road Dust and Their PM10 Fraction of Health-Resorts (Alushta, Yalta) and Industrial (Sebastopol) Cities of Crimea // Water. 2022. V. 14(4). P. 561. https://doi.org/10.3390/w14040561
  31. Cai Y., Li F., Zhang J., Zhu X., Li Y., Fu J., Chen X., Liu Ch. Toxic metals in size-fractionated road dust from typical industrial district: Seasonal distribution, bioaccessibility and stochastic-fuzzy health risk management // Environ. Technol. Innovation. 2021. V. 23. P. 101643. https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101643
  32. Cheng Z., Lee L., Dayan S., Grinshtein M., Shaw R. Speciation of heavy metals in garden soils: evidence from selective and sequential chemical leaching // J. Soils Sediments. 2011. V. 11. P. 628–638. https://doi.org/10.1007/s11368-011-0351-6
  33. Dong S., Zhang S., Wang L., Ma G., Lu X., Li X. Concentrations, speciation, and bioavailability of heavy metals in street dust as well as relationships with physiochemcal properties: A case study of Jinan City in East China // Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2020. V. 27(28). P. 35724–35737. https://doi.org/10.1007/s11356-020-09761-6
  34. Gałuszka A., Migaszewski Z.M., Podlaski R., Dołęgowska S., Michalik A. The influence of chloride deicers on mineral nutrition and the health status of roadside trees in the city of Kielce, Poland // Environ. Monit. Assess. 2011. V. 176. P. 451–464. https://doi.org/10.1007/s10661-010-1596-z
  35. Glushakova A.V., Kachalkin A.V., Prokof’eva T.V., Lysak L.V. Enterobacteriaceae in soils and atmospheric dust aerosol accumulations of Moscow city // Current Research in Microbial Sciences 2022. V. 3. P. 100124. https://doi.org/10.1016/j.crmicr.2022.100124
  36. Hawksworth D.L. The magnitude of fungal diversity: the 1,5 million species estimate revisited // Mycological Research. 2001. V. 105 (12). P. 1422–1432. https://doi.org/10.1017/S0953756201004725
  37. Haynes H.M., Taylor K.G., Rothwell J., Birne P. Characterisation of road-dust sediment in urban systems: a review of a global challenge // J. Soils Sediments. 2020. V. 20. P. 4194–4217. https://doi.org/10.1007/s11368-020-02804-y
  38. Ivaneev A.I., Brzhezinskiy A.S., Karandashev V.K., Ermolin M.S., Fedotov P.S. Assessment of sources, environmental, ecological, and health risks of potentially toxic elements in urban dust of Moscow megacity, Russia // Chemosphere. 2023. V. 321. P. 138142. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.138142
  39. Jayarathne A., Egodawatta P., Ayoko G.A., Goonetilleke A. Transformation processes of metals associated with urban road dust: A critical review // Critical Rev. Environ. Sci. Technol. 2019. V. 49 (18). P. 1675–1699. https://doi.org/10.1080/10643389.2019.1579630
  40. Jeong H., Ryu J.-S., Ra K. Characteristics of potentially toxic elements and multiisotope signatures (Cu, Zn, Pb) in non-exhaust traffic emission sources // Environ. Pollut. 2022. V. 292(3). P. 118339. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.118339
  41. Kaonga C.C., Kosamu I.B.M., Utembe W.R. A Review of Metal Levels in Urban Dust, Their Methods of Determination, and Risk Assessment // Atmosphere. 2021. V. 12(7). P. 891. https://doi.org/10.3390/atmos12070891
  42. Kasimov N.S., Vlasov D.V., Kosheleva N.E. Enrichment of road dust particles and adjacent environments with metals and metalloids in eastern Moscow // Urban Clim. 2020. V. 32(4). P. 100638. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2020.100638
  43. Kasimov N.S., Kosheleva N.E., Vlasov D.V., Nabelkina K.S., Ryzhov A.V. Physicochemical properties of road dust in Moscow // Geogr. Environ. Sustain. 2019. V. 12(4). P. 96–113. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2019-55
  44. Kim K.H., Kabir E., Kabir S. A review on the human health impact of airborne particulate matter // Environ. Int. 2015. V. 74. P. 136–143. https://doi.org/10.1016/j.envint.2014.10.005
  45. Kolesnikova V.M., Salimgareeva O.A., Ladonin D.V., Vertyankina V.Y., Shelegina A.S. Morphological and Mineralogical Characteristics of Atmospheric Microparticles and Chemical Pollution of Street Dust in the Moscow Region // Atmosphere. 2023. V. 14. P. 403. https://doi.org/10.3390/atmos14020403
  46. Konstantinova E., Minkina T., Konstantinov A., Sushkova S., Antonenko E., Kurasova A., Loiko S. Pollution status and human health risk assessment of potentially toxic elements and polycyclic aromatic hydrocarbons in urban street dust of Tyumen city, Russia // Environ. Geochem. Health. 2022. V. 44. P. 409–432. https://doi.org/10.1007/s10653-020-00692-2
  47. Krupnova T.G., Rakova O.V., Gavrilkina S.V., Antoshkina E.G., Baranov E.O., Yakimova O.N. Road dust trace elements contamination, sources, dispersed composition, and human health risk in Chelyabinsk, Russia // Chemosphere. 2020. V. 261. P. 127799. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127799
  48. Kwok C.K., Yang S.M., Mak N.K., Wong C.K., Liang Y., Leung S.Y., Young L. et al. Ecotoxicological study on sediments of Mai Po marshes, Hong Kong using organisms and biomarkers // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2010. V. 73 (4). P. 541–549. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2010.01.012
  49. Lors C., Ponge J.F., Aldaya M.M., Damidot D. Comparison of solid and liquid phase bioassays using ecoscores to assess contaminated soils // Environ. Pollut. 2011. V. 159(10). P. 2974–2981. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2011.04.028
  50. Moskovchenko D., Pozhitkov R., Ukarkhanova D. Geochemistry of street dust in Tyumen, Russia: influence of traffic load // Environ. Sci. Pollut. Res. 2022. V. 29. P. 31180–31197. https://doi.org/10.1007/s11356–021–18013–0
  51. Moskovchenko D., Pozhitkov R., Soromotin A., Tyurin V. The Content and Sources of Potentially Toxic Elements in the Road Dust of Surgut (Russia) // Atmosphere. 2022. V. 13. P. 30. https://doi.org/10.3390/atmos13010030
  52. Nazzal Y., Rosen M., Al-Rawabdeh A. Assessment of metal pollution in urban road dusts from selected highways of the Greater Toronto Area in Canada // Environ. Monitoring Assessment. 2013. V. 185. P. 1847–1858. https://doi.org/10.1007/s10661–012–2672–3
  53. Nikolaeva O., Tikhonov V., Vecherskii M., Kostina N., Fedoseeva E., Astaikina A. Ecotoxicological effects of traffic-related pollutants in roadside soils of Moscow // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2019. V. 172. P. 538–546. https://doi.org/10.1016/J.ECOENV.2019.01.068
  54. OCSPP 850.4230: Early Seedling Growth Toxicity Test, EPA 712-C-010 (US Environmental Protection Agency), Washington. 2012.
  55. OECD. Test No. 208: Terrestrial Plant Test: Seedling Emergence and Seedling Growth Test. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals. Section 2 OECD Publishing. Paris, 2006. 21 p. https://doi.org/10.1787/20745761
  56. Pandard P., Devillers J., Charissou A.M., Poulsen V., Jourdain M.J., Férard J.F., Grand C., Bispo A. Selecting a battery of bioassays for ecotoxicological characterization of wastes // Sci. Total Environ. 2006. V. 363(1–3). P. 114–125. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2005.12.016.
  57. Prokof’eva T.V., Martynenko I.A. Urban soil surveys: The case of Moscow, Russia. Soils within cities. Stuttgart: Catena Soil Science, 2017. P. 129–139.
  58. Rybak J., Wróbel M., Krzyżyńska R., Rogula-Kozłowska W., Olszowski T. Is Poland at risk of urban road dust? Comparison studies on mutagenicity of dust // Environ. Poll. 2022. V. 314. P. 120337. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120337
  59. Seleznev A., Ilgasheva E., Yarmoshenko I., Malinovsky G. Coarse technogenic material in urban surface deposited sediments (USDS) // Atmosphere. 2021. V. 12(6). P. 754. https://doi.org/10.3390/atmos12060754
  60. Sverdrup L.E., Krogh P.H., Nielsen T., Kjaer C., Stenersen J. Toxicity of eight polycyclic aromatic compounds to red clover (Trifolium pratense), ryegrass (Lolium perenne), and mustard (Sinapsis alba) // Chemosphere. 2003. V. 53(8). P. 993–1003. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.138142
  61. US EPA, 2022. United States Environmental Protection Agency. Particulate matter (PM) Basics. 2022. https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics. Accessed on July, 23
  62. Van Bohemen H.D., Van de Laak W.H.J. The influence of road infrastructure and traffic on soil, water, and air quality // Environ. Managem. 2003. V. 31. https://doi.org/10.1007/s00267-002-2802-8
  63. Vasenev V.I., Stoorvogel J.J., Plyushchikov V.G., Ananyeva N.D., Ivashchenko K.V., Romzaykina O.N. Basal respiration as a proxy to understand spatial trends of CO₂emissions in the Moscow region // RUDN J. Agronomy Animal Industries. 2016. V. 4. P. 94–107. https://doi.org/10.22363/2312-797X-2016-4-94-107
  64. Vlasov D., Kosheleva N., Kasimov N. Spatial distribution and sources of potentially toxic elements in road dust and its PM10 fraction of Moscow megacity // Sci. Total Environ. 2021. V. 761. P. 143267. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143267
  65. Vlasov D.V., Vasil’chuk J.Y., Kosheleva N.E., Kasimov N.S. Contamination levels and source apportionment of potentially toxic elements in size-fractionated road dust of Moscow // Environ. Sci. Pollut. Res. 2023. V. 30. P. 38099–38120. https://doi.org/10.1007/s11356-022-24934-1.
  66. Wang J., Yu J., Gong Y, Wu L., Ya Z., Wang J., Gao R., Liu W. Pollution characteristics, sources and health risk of metals in urban dust from different functional areas in Nanjing, China // Environ. Res. 2021. V. 201. P. 111607. https://doi.org/10.1016/J.ENVRES.2021.111607
  67. World Health Organization (WHO). Hazard Prevention and Control in the Work Environment: Airborne Dust. 1999. https://www.who.int/occupational_health/publications/en/oehairbornedust3.pdf
  68. Wu Y., Lu X. Physicochemical properties and toxic elements in bus stop dusts from Qingyang, NW China // Scientific Reports. 2018. V. 8(1). P. 12568. https://doi.org/10.1038/s41598-018-30452-3

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig.1

Download (373KB)
Indexing metadata
3. Fig.2

Download (67KB)
Indexing metadata
4. Fig.3

Download (175KB)
Indexing metadata
5. Fig.4

Download (104KB)
Indexing metadata
6. Fig.5

Download (149KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies