Lithium Ecotoxicity Assessment in Soils with Contrasting Properties

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The aim of the work is to evaluate the ecotoxicity of lithium in soils with contrasting properties: Haplic Chernozem, Eutric Cambisol, and Eutric Arenosol. Model experiments on soil contamination with lithium were carried out in different concentrations: 15, 30, 50, 100, 125, 250 and 500 mg/kg. After 10, 30 and 90 days of the experiment, biological indicators of the soil condition were studied: catalase and dehydrogenase activity, the total number of bacteria, the number of bacteria of the genus Azotobacter, the length of radish roots and shoots. Contamination of soils with lithium in concentrations of 50, 100, 125, 250 and 500 mg/kg contributes to a significant decrease in all biological parameters at all periods of the experiment. In Haplic Chernozem and Eutric Cambisol, a dose of lithium hydroxide (LiOH) of 15 mg/kg causes the effect of hormesis. Lithium had the greatest negative effect on the 10th day from the beginning of the experiment, by the 90th day in all soils there was a tendency to restore the values of biological parameters characteristic of uncontaminated soils. Haplic Chernozem showed the greatest resistance of biological indicators to lithium contamination compared to Eutric Cambisol and Eutric Arenosol, which is due to the genetic properties of soils (granulometric composition, reaction of the medium, humus content). The results of the study can be used in predicting risks from lithium contamination of soils and in developing environmental standards for lithium content in soils.

About the authors

A. S. Ruseva

Academy of Biology and Biotechnology of the Ivanovsky Southern Federal University

Rostov-on-Don, 344090 Russia

N. A. Evstegneeva

Academy of Biology and Biotechnology of the Ivanovsky Southern Federal University

Email: Natalja.evstegneewa@yandex.ru
Rostov-on-Don, 344090 Russia

S. I. Kolesnikov

Academy of Biology and Biotechnology of the Ivanovsky Southern Federal University

Rostov-on-Don, 344090 Russia

A. N. Timoshenko

Academy of Biology and Biotechnology of the Ivanovsky Southern Federal University

Rostov-on-Don, 344090 Russia

T. V. Minnikova

Academy of Biology and Biotechnology of the Ivanovsky Southern Federal University

Rostov-on-Don, 344090 Russia

K. S. Kazeev

Academy of Biology and Biotechnology of the Ivanovsky Southern Federal University

Rostov-on-Don, 344090 Russia

References

  1. Гопп Н.В., Савенков О.А., Нечаева Т.В., Смирнова Н.В. Использование NDVI в цифровом картографировании содержания подвижного лития в пахотном горизонте почв на юге Западной Сибири // Исслед. Земли из космоса. 2017. № 6. С. 23–30. https://doi.org/10.1134/S0032180X19030055
  2. Дикарев А.В., Дикарев В.Г., Дикарева Н.С. Исследование фитотоксичности свинца для растений редиса и салата при выращивании на разных типах почв // Агрохимия. 2019. № 6. С. 72–80. https://doi.org/10.1134/S0002188119030050
  3. Евстегнеева Н.А., Колесников С.И., Тимошенко А.Н., Минникова Т.В., Цепина Н.И., Казеев К.Ш. Оценка экотоксичности таллия по биологическим свойствам почв // Почвоведение. 2024. № 3. С. 470–481.
  4. Егоров В.В., Иванова Е. Н., Фридланд В.М., Розов Н.И. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 223 с.
  5. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Акименко Ю.В., Даденко Е.В. Методы биодиагностики наземных экосистем. Ростов на Дону: Изд-во ЮФУ, 2016. 356 с.
  6. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного // Экология. 2000. № 3. С. 193–201.
  7. Колесников С.И., Спивакова Н.А., Казеев К.Ш. Влияние модельного загрязнения Cr, Cu, Ni, Pb на биологические свойства почв сухих степей и полупустынь юга России // Почвоведение. 2011. № 9. С. 1094–1101.
  8. Колесников С.И., Тимошенко А. Н., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В., Мясникова М.А. Оценка экотоксичности наночастиц меди, никеля и цинка по биологическим показателям чернозема // Почвоведение. 2019. № 8. С. 986–992. https://doi.org/10.1134/S0032180X19080094
  9. Колесников С.И., Тлехас З.Р., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Изменение биологических свойств почв Адыгеи при химическом загрязнении // Почвоведение. 2009. № 12. С. 1499–1505.
  10. Плеханова И.О., Золотарева О.А., Тарасенко И.Д., Яковлев А.С. Оценка экотоксичности почв в условиях загрязнения тяжелыми металлами // Почвоведение. 2019. № 10. С. 1243–1258. https://doi.org/10.1134/S0032180X19100083
  11. Полянская Л.М., Пинчук И.П., Степанов А.Л. Сравнительный анализ методов люминесцентной микроскопии и каскадной фильтрации для оценки численности и биомассы бактерий в почве: роль разведения почвенной суспензии // Почвоведение. 2017. № 10. С. 1216–1219. https://doi.org/10.7868/S0032180X17100082
  12. Терехова В.А. Биотестирование экотоксичности почв при химическом загрязнении: современные подходы к интеграции для оценки экологического состояния (обзор) // Почвоведение. 2022. № 5. С. 586–599. https://doi.org/10.31857/S0032180X22050094
  13. Тимошенко А.Н., Колесников С.И., Кабакова В.С., Евстегнеева Н.А., Цепина Н.И., Минникова Т.В., Казеев К.Ш. Оценка экотоксичности оксида платины по биологическим показателям чернозема обыкновенного // Экология и промышленность России. 2024. Т. 28. № 1. С. 22–27. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2024-1-22-27
  14. Шляпин Д.А., Суровикин Ю.В., Мишаков И.В., Агафонов Д.В., Нецкина О.В. Способы утилизации литий-ионных аккумуляторов. Часть 2. Переработка электродных материалов // Экология и промышленность России. 2024. Т. 28. № 11. С. 40–46. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2024-11-40-46
  15. Avila-Arias H., Nies L.F., Gray M.B., Turco R.F. Impacts of molybdenum-, nickel-, and lithium-oxide nanomaterials on soil activity and microbial community structure // Sci. Total Environ. 2019. V. 652. P. 202–211. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.10.189
  16. Bakhat H.F., Rasul K., Farooq A.B.U., Zia Z., Natasha, Fahad S., Abbas S., Shah G.M., Rabbani F., Hammad H.M. Growth and physiological response of spinach to various lithium concentrations in soil // Environ. Sci. Pollut. Res. 2020. V. 27. P. 39717–39725.https://doi.org/10.1007/s11356-019-06877-2
  17. Barsova N., Yakimenko O., Tolpeshta I., Motuzova G. Current state and dynamics of heavy metal soil pollution in Russian Federation–A review // Environ. Pollut. 2019. V. 249. P. 200–207. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.03.020
  18. Bibienne T., Magnan J.F., Rupp A., Laroche N. From mine to mind and mobiles: Society’s increasing dependence on lithium // Elements: An International Magazine of Mineralogy, Geochemistry, and Petrology. 2020. V. 16. P. 265–270. https://doi.org/10.2138/gselements.16.4.265
  19. Bolan N., Hoang S.A., Tanveer M., Wang L., Bolan S., Sooriyakumar P., Robinson B., Wijesekara H. et al. From mine to mind and mobiles–Lithium contamination and its risk management // Environ. Poll. 2021. V. 290. P. 1–15. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.118067
  20. Bradley D.C., Stillings L.L., Jaskula B.W., Munk L.A., McCauley A.D. Lithium Critical Mineral Resources of the United States–Economic and Environmental Geology and Prospects for Future Supply. U.S. Geol. Surv. Prof. Pap. 2017. P. K1–K21.
  21. Chow A.T. Proactive approach to minimize lithium pollution // J. Environ. Qual. 2022. V. 51. P. 872–876. https://doi.org/10.1002/JEQ2.20405
  22. Đorđević D., Tadić J. M., Grgur B., Ristić R., Sakan S., Brezjanović J., Stevanović V., Šolaja B. The influence of exploration activities of a potential lithium mine to the environment in Western Serbia // Sci. Rep. 2024. V. 14. P. 1–9. https://doi.org/10.1038/s41598-024-68072-9
  23. Enya O., Heaney N., Iniama G., Lin C. Effects of heavy metals on organic matter decomposition in inundated soils: Microcosm experiment and field examination // Sci. Total Environ. 2020. 724. P. 138223. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138223
  24. Fierling N., Billard P., Fornasier F., Bauda P., Blaudez D. Structural and functional responses of soil fungal and bacterial communities to a lithium contamination gradient // Sci. Total Environ. 2025. V. 964. P. 178565. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2025.178565
  25. Franzaring J., Schlosser S., Damsohn W., Fangmeier A. Regional differences in plant levels and investigations on the phytotoxicity of lithium // Environ. Pollut. 2016. V. 216. P. 858–865. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2016.06.059
  26. Furtak K., Gajda A.M. Biochemical methods for the evaluation of the functional and structural diversity of microorganisms on the soil environment // Postepy Mikrobiol. 2018. V. 57. P. 194–202. https://doi.org/10.21307/PM-2018.57.2.194
  27. Gospodarek J., Rusin M., Barczyk G., Nadgórska-Socha A. The effect of petroleum-derived substances and their bioremediation on soil enzymatic activity and soil invertebrates // Agronomy. 2021. V. 11. P. 1–20. https://doi.org/10.3390/agronomy11010080
  28. Grosjean C., Miranda P.H., Perrin M., Poggi P. Assessment of world lithium resources and consequences of their geographic distribution on the expected development of the electric vehicle industry // Renewable Sustainable Energy Rev. 2012. V. 16. P. 1735–1744. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.11.023
  29. Hayyat M.U., Nawaz R., Siddiq Z., Shakoor M.B., Mushtaq M., Ahmad S.R., Ali S. et al.. Investigation of lithium application and effect of organic matter on soil health // Sustainability. 2021. V. 13. P. 1–15. https://doi.org/10.3390/su13041705
  30. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. Boca Raton: Crc Press, 2010. 548 p.
  31. Kastori R., Maksimović I., Putnikdelić M. Lithium in the environment and its effects on higher plants // Contemp. Agric. 2022. V. 71. P. 226–239. https://doi.org/10.2478/contagri-2022-0030
  32. Kaushik A., Sethi V. Salinity effects on nitrifying and free diazotrophic bacterial populations in the rhizosphere of rice // Bull. National Institute Ecol. 2005. V. 15. P. 139–144.
  33. Kolesnikov S., Evstegneeva N., Minnikova T., Timoshenko A., Tsepina N., Kazeev K. Assessment of ecotoxicity of tellurium in soils of contrasting properties // Emerg. Contam. 2024. P. 100334. https://doi.org/10.1016/j.emcon.2024.100334
  34. Lin Y., Ye Y., Hu Y., Shi H. The variation in microbial community structure under different heavy metal contamination levels in paddy soils // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2019. V. 180. P. 557–564. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2019.05.057
  35. Luong J.H.T., Tran C., Ton-That D. A paradox over electric vehicles, mining of lithium for car batteries // Energies. 2022. V. 15. P. 1–25. https://doi.org/10.3390/en15217997
  36. Neves O., Moreno F., Pinheiro D., Pinto M. C., Inácio M. Soil low-density geochemical mapping of technology-critical elements (TCEs) and its environmental implications: The case of lithium in Portugal // Sci. Total Environ. 2024. V. 934. P. 173207. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.173207
  37. Robinson B.H., Yalamanchali R., Reiser R., Dickinson N.M. Lithium as an emerging environmental contaminant: Mobility in the soil-plant system // Chemosphere. 2018. V. 197. P. 1–6. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.01.012
  38. Sarma H., Basumatary T., Yousaf B., Narayan M. Nanoplastics and lithium accumulation in soil-plant systems: Assessing uptake, toxicological effects, and potential synergistic interactions // CRBIOT 2023. P. 100170. https://doi.org/10.1016/j.crbiot.2023.100170
  39. Schlesinger W.H., Klein E.M., Wang Z., Vengosh A. Global biogeochemical cycle of lithium // Glob. Biogeochem. Cycles. 2021. V. 35. P. 1–18. https://doi.org/10.1029/2021GB006999
  40. Sethi S., Gupta S. Responses of soil enzymes to different heavy metals // Biolife. 2015. V. 3. P. 147–153.http://dx.doi.org/10.17812/blj3110
  41. Shahzad B., Tanveer M., Hassan W., Shah A.N., Anjum S.A., Cheema S.A., Ali I. Lithium toxicity in plants: Reasons, mechanisms and remediation possibilities–A review // Plant Physiol. Biochem. 2016. V. 107. P. 104–115. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2016.05.034
  42. Shakoor N., Adeel M., Ahmad M.A., Hussain M., Azeem I., Zain M., Zhou P., Li Y., Xu M., Rui Y. Environment relevant concentrations of lithium influence soybean development via metabolic reprogramming // J. Hazard. Mater. 2023. V. 441. P. 129898. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129898
  43. Shakoor N., Adeel M., Azeem I., Ahmad M.A., Zain M., Abbas A., Rui Y. Interplay of higher plants with lithium pollution: Global trends, meta-analysis, and perspectives // Chemosphere. 2022. P. 136663. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.136663
  44. Sobolev O.I., Gutyj B.V., Darmohray L.M., Sobolievа S.V., Ivanina V.V., Kuzmenko O.A., Karkach P.M. et al. Lithium in the natural environment and its migration in the trophic chain // Ukr. J. Ecol. 2019. V. 9. P. 195–203.
  45. Sun C., Zhao W., Zhang Q., Yu X., Zheng X., Zhao J., Lv M. Spatial distribution, sources apportionment and health risk of metals in topsoil in Beijing, China // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2016. V. 13. P. 727. https://doi.org/10.3390/ijerph13070727
  46. Swain B. Recovery and recycling of lithium: A review // Sep. Purif. Technol. 2017. V. 172. P. 388–403. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2016.08.031
  47. Tan X., Nie Y., Ma X., Guo Z., Liu Y., Tian H., Megharaj M., Weijun S., He W. Soil chemical properties rather than the abundance of active and potentially active microorganisms control soil enzyme kinetics // Sci. Total Environ. 2021. V. 770. P. 144500. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144500
  48. Wieczorek D., Marchut-Mikolajczyk O., Antczak T. Changes in microbial dehydrogenase activity and pH during bioremediation of fuel contaminated soil // BioTechnologia. J. Biotechnol. Computat. Biol. Bionanotechnol. 2015. V. 96. P. 293–306. https://doi.org/10.5114/bta.2015.58377
  49. World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. 4th edition published in 2022 by the International Union of Soil Sciences (IUSS), Vienna, Austria. 2022, 234 p.
  50. Xu Z., Zhang Z., Peng S., Yuan Y., Wang X. Influences of lithium on soil properties and enzyme activities // Chemosphere. 2023. V. 313. P. 137458. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.137458
  51. Yang Y. Production of lithium metal with ion-selective solid electrolytes // Green Energy Environ. 2020. V. 5. P. 382–384. https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.04.011
  52. Zhang M., Zhang T., Zhou L., Lou W., Zeng W., Liu T., Yin H., Liu H., Liu X., Mathivanan K., Praburaman L. Soil microbial community assembly model in response to heavy metal pollution // Environ. Res. 2022. V. 213. P. 113576. https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.113576

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

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».