background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 50, 5, BRATISLAVA, OCTOBER 1999

389–394

MICROBIAL ACTIVITY IN SOILS  UNDER THE INFLUENCE

OF PYRITE WEATHERING

MARIANA VÝBOHOVÁ, ALEXANDRA ŠIMONOVIÈOVÁ, PAVEL DLAPA  and

MIKULÁŠ MADARAS

Department of Soil Science, Faculty of Science, Comenius University, Mlynská dolina, 842 15 Bratislava, Slovak Republic

(Manuscript received February 12, 1998; accepted in revised form December 9, 1998)

Abstract: The  chemical  and  microbial  characteristics  of  soils  at  seven  research  sites  —  four  affected  by  an  acid

sulphate weathering and three intact, undisturbed have been investigated. The extremely low soil pH, the increased

electrical  conductivity  and  high  exchangeable  aluminium  contents  are  characteristic  features  of  the  affected  soils.

These chemical changes were accompanied by the inhibition of the soil respiration and enzyme activities denoted the

microbial activity in soils. The small microbial biomass and the abundance of bacteria and microscopic fungi indi-

cated the worsening of living conditions for the soil microorganisms. In spite of this some representatives of micro-

scopic fungi (Deuteromycotina) isolated from the damaged soils gave evidence of  their adaptability to the extreme

conditions.

Key words: acid sulphate weathering, soil acidification, microscopic fungi, respiration and enzyme activity changes.

Introduction

The quartzite quarring has been practiced on the Šobov hill

near Bansk᠊tiavnica since the year 1956. The waste materi-

al  containing  pyrite  has  been  accumulated  on  a  dump  pile

next to the quarry. The weathering of pyrite leads to the pro-

duction  of  extremely  acid  and  mineralized  water  solutions

within the dump pile. The acid solution with high concentra-

tions of iron and sulphatic ions has damaged soils and the

vegetation downslope. The soil acidification, the precipita-

tion of the characteristic secondary minerals, the destruction

of  the  soil  structure,  and  consequently  the  absence  of  the

plant cover and the strong erosion of topsoils are the degra-

dational features on the slope of Šobov hill.

The first symptoms of the damage appeared in 1978. The

area of about 15 ha is influenced at present. The geological,

chemical and biological aspects of the affected territory has

been studied by a number of authors (Holub et al. 1991; Holub

et al. 1993; Križáni et al. 1994a; Križáni et al. 1994b; Forgáè

et  al.  1995;  Šimonovièová  et  al.  1996;  Šimonovièová  et  al.

1997; Dlapa et al. 1997; Šucha et al. 1997). The processes of

the  acid  sulphate  weathering  in  the  volcanic  complex  in

Vtáènik Mts. was described by Èurlík & Forgáè (1983).

The  aim  of  this  paper  is  to  compare  the  microbiological

characteristics of the original topsoils with those affected by

the  acid  and  mineralized  water  originating  from  the  pyrite

oxidation. The soil microbial characteristics, like the soil res-

piration or enzyme activities, inform about the microbial ac-

tivity  in  the  soils.  In  addition,  the  microbial  biomass,  the

abundance of bacteria and microscopic fungi, the occurrence

of microscopic fungi species and genera testify to the quality

of the soil environment.

Material and methods

The Šobov hill is situated NE of Banská Štiavnica town in

the Štiavnické vrchy region. The soils are  Eutric Cambisol

(FAO) with transitions to Planosol, in depressions. Detailed

mapping of soils was done in the area affected by the water

leaking out from the dump pile. Seven sampling sites were

studied — four influenced (P1, P2, P3, P4) and three without

degradational features (N5, N6, N7). The samples were taken

from the topsoils (0–20 cm) for the chemical and the micro-

biological analyses.

Soil samples were air-dried and fraction < 2 mm was taken

for chemical analyses. Soil pH values (H

2

O, 1 M KCl) and

exchangeable Al were determined using a soil : solution  ratio

of 1 : 2.5. Total organic carbon was measured by oxidation

with K

2

Cr

2

O

7

–H

2

SO

4

 and titration of non-reduced chromate.

Electrical conductivity was determined in the saturation soil

extracts, after allowing the pastes to stand for 24 h.

The  microbiological  investigation  was  realized  with  the

fresh soil samples. The soil fraction < 2 mm was used for

laboratory experiments.

The microbiological analyses include:

— the CO

2

-evolution (the soil respiration) — basal and po-

tential after adding 1 % of glucose (Kopèanová et al. 1990);

— the enzyme activities: carboxymethylcellulase (CMC),

xylanase and saccharase (Schinner et al. 1993);

—  the  amount  of  carbon  in  microbial  biomass  (C

bio

)

(Schinner et al. 1993);

— the abundance of bacteria and microscopic fungi (Ko-

pèanová et al. 1990);

— the composition of microscopic fungi species and gen-

era (Fassatiová 1979).

background image

390                                                          VÝBOHOVÁ, ŠIMONOVIÈOVÁ, DLAPA and MADARAS

The number of repeated samplings (3–10) was chosen in

accordance with the methods used. The arithmetical means

and the mean deviations have been calculated and illustrated

in the Figs. 1–4.

Figures on Pls. I–II were taken on Scanning Electron Mi-

croscopy (SEM) model Tesla BS 301 by J. Blahutiaková (In-

stitute  of  Experimental  Phytopathology  and  Entomology,

Slovak  Academy  of  Sciences,  Ivanka  pri  Dunaji).  Before

that, the samples were air-dried and coated with gold.

Results and discussion

The  chemical  properties  of  investigated  topsoils  reveal

degradation processes as follows from Table 1.  A drop in the

soil pH to about 3 is typical. The soil buffering mechanisms

are insufficient and almost ineffective because acid water en-

tering the soil profiles contains high concentrations of iron and

sulphatic  ions  (in  contrast  to  acid  rains  with  only  very  low

concentrations of salts). The salinity of saturated soil extracts

increases due to the dissolution of secondary minerals which

are formed during the interaction of acid water with the origi-

nal soil. Exchangeable base cations (Ca

2+

, Mg

2+

, and K

+

)  are

displaced by Al

3+

 (Dlapa et al. 1997). The low nutrient status

and aluminium toxicity will cause the inhibition of all bio-

logical activities.

way from the plant or litter bioorganic compounds to the col-

loidal humic substances is very complex involving a number

of degradative and condensation reactions. These reactions

involve numerous enzymes, since non-enzymatic reactions in

soils are very slow (Lähdesmäki & Piispanen 1988). The first

components to be removed, by the combined action of mi-

crobes and leaching, are water-soluble compounds, such as

sodium  and  potassium  salts  and  sugars.  After  these,  more

complex substances such as starch and proteins are attacked.

Whereas many of these components can be decomposed dur-

ing a few months, more complex structural ones, such as lig-

nin or keratin, may persist in soils for several years (Gray &

Williams 1971). The enzyme activities — saccharase, xyla-

nase and carboxymethylcellulase (CMC) — from the carbon

cycle  of  organic  matter  circulation  in  the  natural  environ-

ment, were clearly detected. It has been  observed  that  the

highest saccharase and xylanase activities (5 170.4–8 694.6

µg GLC· g

-1

 dry soil · (3 h)

-1  

and 648.0–3 522.5 µg GLC · g

-1

dry soil · (24 h)

-1

) are at the places N5–N7, that is at the plac-

es without degradational attributes (Fig. 2). The saccharase

Fig. 2. Saccharase, xylanase and carboxymethylcellulase activities.

Fig. 1. Basal and potential respiration of microorganisms.

Table 1: Basic analytical data of the studied soils (P1–P4  influ-

enced, N5–N7 not influenced by acid sulphate weathering).

Sample No.

pH (H

2

O)

pH (KCl)

C

ox

%

EC

µS . cm

-1

Al

mg . kg

-1

P1

3.0

2.8

2.61300

727

P2

3.1

2.8

1.4

1000

506

P3

3.1

2.9

1.7

2500

585

P4

3.3

3.2

2.2

3600

832

N5

6.0

5.0

2.1

  300

  18

N65.4

4.5

3.2

  500

  22

N7

6.1

5.2

2.6

  400

    6

EC —  electrical conductivity of saturated soil extract

Al —  exchangeable aluminium (1M KCl).

The study of carbon cycling is necessary to understand the

functioning of the ecosystems. The carbon fluxes from the

soil and litter compartments to the atmosphere (collectively

referred to as soil respiration) are major pathways of the car-

bon cycle (Redmann 1978). The evolution of CO

2

 is an indi-

cator of intensified processes of organic matter decomposi-

tion in the environments (Kubicka 1973). The carbon dioxide

output of soil samples reflects the overall metabolic activity

of the microflora in soil (Gray & Williams 1971). The high-

est values of CO

2

-evolution (112.0 and 73.8 mg CO

· kg

-1

soil · (24 h)

-1

) were measured at the chemically undisturbed

places N6 and N7 (Fig. 1). The potential soil respiration (the

respiration after adding of glucose as the source of energy)

was more intensive than the basal soil respiration in all sam-

ples (Fig. 1). Such results testify to the fact, that the quanti-

ties of available nutrients had a direct and the greatest influ-

ence on the activity of microorganisms.

The soil microorganisms play a very important role in the

decomposition  of  dead  organic  matter.  The  chemical  path-

0

200

400

600

800

1000

P1

P2

P3

P4

N5

N6

N7

Sample No.

mg CO

2

 / kg soil / 24 h

BASAL RESPIRATION
POTENTIAL RESPIRATION

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

P1

P2

P3

P4

N5

N6

N7

Sample No.

mg GLC / g soil

CMC (after 24 h)

xylanase (24 h)

saccharase (3 h)

GLC - glucose equivalent

background image

MICROBIAL ACTIVITY IN SOILS  UNDER THE INFLUENCE OF PYRITE WEATHERING                           391

Plate I: Fig. 1. Absidia sp., (Zygomycotina), 3900

×

. Fig. 2. Zygorhynchus sp., (Zygomycotina), 1300

×

. Fig. 3. Acremonium sp., (Deuter-

omycotina),  250

×

.  Fig.  4.  Aspergillus  sp.,  (Deuteromycotina),  640

×

.  Fig.  5.  Cladosporium  cladosporioides,  (Deuteromycotina),  440

×

.

Fig. 6. Paecilomyces sp., (Deuteromycotina), 2200

×

.

background image

392                                                          VÝBOHOVÁ, ŠIMONOVIÈOVÁ, DLAPA and MADARAS

and xylanase activities were explicitly different between the

groups of the unaffected and the affected topsoils. Their mea-

sured values were higher than those of CMC activity. Low

CMC activities were observed at all places (37.4–303.9 µg

GLC  ·  g

-1 

dry  soil ·  (24  h)

-1

).  The  differences  between  the

studied groups of undamaged and devastated soils were not

ascertained (Fig. 2). It is known that the decomposition of

cellulose is rather slow in the soil, whereas, sugars, carbohy-

drate polymers as well as starch, pectin, and hemicellulose

decompose more rapidly (Lähdesmäki & Piispanen  1988).

 A large amount of energy within the soil is accumulated in

the form of humic substances, plant tissue residues, and as

microbial biomass, too. The microbial biomass is important

in  the  cycling  of  matter  and  energy  and  it  determines  the

character and the intensity of biological processes within the

soil (Bernát et al. 1984). The amount of carbon in microbial

biomass (C

bio

 7.2–14.3 mg · (100 g)

-1

 dry soil, Fig. 3) and the

abundance  of  bacteria  (0.0–1.4  ·  10

4

  CFU  ·  g

-1

  dry  soil,

Plate  II:  Fig.  1.  Penicillium  sp.,  (Deuteromycotina),  1600

×

.  Fig.  2.

Penicillium  vulpinum,  (Deuteromycotina),  40

×

.  Fig.  3.  Chaetomium

sp., (Ascomycotina), 90

×

.

Fig. 4. Bacteria and microfungi abundances.

Fig. 3. The amount of carbon in microbial biomass.

0

20

40

60

80

100

120

P1

P2

P3

P4

N5

N6

N7

Sample No.

m

g / 100 g

 s

oil

0

10

20

30

40

50

P1 P2 P3 P4 N5 N6 N7

Sample No.

10000 CFU / g soil (bacteria)

0

2

4

6

8

10

10000 CFU / g soil (microfungi)

bacteria

microfungi

background image

MICROBIAL ACTIVITY IN SOILS  UNDER THE INFLUENCE OF PYRITE WEATHERING                           393

Table 2: Species and genera of soil micromycetes observed in the

studied soils.

Micromycetes

Sample No.

P1    P2    P3   P4    P5    P6    P7

ZYGOMYCOTINA

Absidia sp.

+

+

+

Mucor sp.

+

+

Zygorhynchus sp.

+

DEUTEROMYCOTINA

Acremonium sp.

+

+

Aspergillus sp.

+

Aureobasidium sp.

+

+

+

+

Cladosporium cladosporioides

+

+

+

+

+

Cladosporium macrocarpum

+

Geotrichum sp.

+

Paecilomyces sp.

+

+

+

Paecilomyces lilacinus

+

Penicillium sp.

+

+

+

+

+

Penicillium vulpinum

+

Verticillium sp.

+

+

+

ASCOMYCOTINA

Chaetomium sp.

+

+

Fig. 4)  determined  at  the  affected  places  (P1–P4)  were  of

lower values in comparison with those at unaffected places

(C

bio

  43.7–101.3  mg·  (100g)

-1

  dry  soil,  the  bacteria  abun-

dance 18.4–33.6 · 10

4

 CFU · g

-1

 dry soil). The abundance of

microscopic  fungi  (Fig.  4)  was  comparable  in  all  samples

(0.8– 6.3 · 10

4

 CFU · g

-1

 dry soil). The sensitivity of micro-

scopic fungi to decreased soil pH is lower than the sensitivity

of bacteria (Holub et al. 1993).

Fifteen genera and species of microfungi were isolated and

identified in the studied topsoils (Table 2, Pls. I–II). The high-

est number of genera and species was isolated at the places N5

(6), N6 (6), and N7 (8). The representatives of classes ZYGO-

MYCOTINA (Absidia sp. Tiegh., Mucor sp. P. Micheli ex St.-

Amans,  Zygorhynchus  sp.  Vuill.),  DEUTEROMYCOTINA

(Acremonium sp. Link ex Fresen., Aspergillus sp. P. Micheli

ex Fresen., Aureobasidium sp. Viala ex Boyer, Cladosporium

cladosporioides (Fresen.) N.F. de Vries, Cladosporium mac-

rocarpum Preuss, Geotrichum sp. Link ex Léman, Paecilo-

myces sp. Bainier, Paecilomyces lilacinus (Thom) Samson,

Penicillium  sp.  Link  ex  Fresen.,  Penicillium  vulpinum

(Cooke et Massee) Seifert et Samson,  Verticillium sp. Nees

ex Link) and ASCOMYCOTINA (Chaetomium sp. Kunze ex

Fresen.)  were  determined.  The  representatives  of  the  class

Zygomycotina exist in the topsoils and they require sufficient

amounts  of  easily  decomposable  organic  substances.  Their

absence reflects the insufficiency of soil organic matter and

the deterioration of decomposing processes at the places P2

and P3. Penicillium sp. and Cladosporium cladosporioides

of the class Deuteromycotina were found at almost all af-

fected places. The survival of the representatives of DEU-

TEROMYCOTINA under the physiologically extreme con-

ditions confirms their high adaptability to the adverse soil

environment.

Conclusions

The observed degradation processes represent the extreme

case of soil acidification. It has been found that the chemical

deterioration  within  the  investigated  soils  (extremely  low

pH, high contents of exchangeable aluminium) was accom-

panied  by  significant  changes  in  the  soil’s  microbiological

properties. The inhibition of the microbial activity, as the soil

respiration or the enzyme activities, was observed in the soils

influenced  by  the  acid  sulphate  weathering.  The  microbial

biomass, the abundance of microorganisms, as well as the di-

versity of microscopic fungi genera were reduced in the af-

fected  soils,  too.  Only  tolerant  groups  of  microorganisms

survive  in  the  chemically  degraded  soils  on  the  slope  of

Šobov hill.

References

Bernát  J., Braunová  O. & Mirèink T.G., 1984: Determination of

the microfungal biomass.   Acta FRNUC — Microbiologia XI,

1–7.

Èurlík  J.  &  Forgáè  J.,  1983:  The  phenomena  of  the  sulphur-acid

weathering and its depth changes in the volcanic rocks in the

Vtáènik Mts. Geol. Práce, Spr., 79, 197–217 (in Slovak).

Dlapa  P.,  Madaras  M.,  Výbohová  M.  &  Šimonovièová  A.,  1997:

Soil  degradation  processes  accelerated  by  products  of  pyrite

weathering. Proceedings of International Conference “Analy-

ses  for  Geology  and  Environment  97”.  Slovak  Geological

Survey, Spišská Nová Ves, O/16.

Fassatiová O., 1979: Moulds and fibrous fungi in technical micro-

biology. SNTL, Praha, 1–211 (in Czech).

Forgáè J., Streško V. & Škvarka L., 1995: Occurrence of toxic ele-

ments in the Bansk᠊tiavnica area (Central Slovakia). Miner.

slovaca, 27, 45–56 (in Slovak).

Gray T.R.G. & Williams S.T., 1971: Soil micro-organisms. Edin-

burg, 1–196.

Holub Z., Banásová V. & Križáni I., 1991: The influence of soil

acidification  on  vegetation  in  surrounding  of  quarzite  mine

(Šobov).  Proceedings  of  workshop  “Geology  and  environ-

ment”, Donovaly 1.–3.10.1991, 114–121 (in Slovak).

Holub Z., Šimonovièová A. & Banásová V., 1993: The influence

of acidification on some chemical and microbiological prop-

erties  of  soil,  those  determining  plant  viability.  Biológia,  6,

671–675.

Križáni I., Jeleò S. & Háber M., 1994a: The resistible and second-

ary  minerals  of  the  historical  depositions  in  the  ore  field  of

Štiavnické  vrchy  Mts.  —  the  environmental  and  technologi-

cal  aspects.  In:  Mineralogie,  geochemie  a  životní  prostøedí,

Ostrava-Poruba 28.–30. 6. 1994, 99–100 (in Slovak).

Križáni I., Kušnierová M., Andráò P. & Jeleò S., 1994b: The dump

pile  of  Šobov  —  the  spontaneous  geobioreactor.  In:  Biohy-

drometalurgia III., Košice 4.–5.10. 1994, 50–55 (in Slovak).

Kopèanová  ¼.,  Øehoøková  V.  &  Bumbala  ¼.,  1990:  The  instruc-

tions  for  the  microbiological  practice  for  the  phytotechni-

cians. Príroda, Bratislava, 1–128 (in Slovak).

Kubicka H., 1973: The evolution of CO

2

 in two meadow commu-

nities. Ekol. Pol., 5, 1–16.

Lähdesmäki  P.  &  Piispanen  R.,  1988:  Degradation  products  and

the hydrolytic enzyme activities in the soil humification pro-

cesses. Soil Biol. Biochem., 3, 287–292.

background image

394                                                          VÝBOHOVÁ, ŠIMONOVIÈOVÁ, DLAPA and MADARAS

Redmann R.E., 1978: Soil respiration in a mixed grassland ecosys-

tem. Canad. J. Soil Sci., 58, 119–124.

Schinner F., Öhlinger R., Kandeler E. & Margesin R., 1993: Boden-

biologische Arbeitsmethoden. Springer-Verlag, Berlin, 1–389.

Šimonovièová A., Franková E. & Výbohová M., 1996: Microfungi

of acidificated region of Bansk᠊tiavnica-Šobov. Miner. slo-

vaca, 28, 355–356.

Šimonovièová  A.,  Forgáè  J.,  Streško  V.  &  Výbohová  M.,  1997:

The change of soil microbiota under the influence of mining

activities. Miner. slovaca, 29, 431–438.

Šucha  V.,  Kraus  I.,  Zlocha  M.,  Streško  V.,  Gašparovièová  M.,

Lintnerová  O.  &  Uhlík  P.,  1997:  Acidification  in  the  Šobov

region  (Štiavnické  vrchy  Mts.):  Manifestation  and  causes.

Miner. slovaca, 29,  407–416 (in Slovak).

Note: This paper was presented at the Conference of the IGCP Project #405 — “ENVIVEATH”,  held in Bratislava from 24th to 26th November,  1997