The soil microbiome is crucial for nutrient cycling, health, and plant growth. This study presents a smartphone-based approach as a low-cost and portable alternative to traditional methods for classifying bacterial species and characterizing microbial communities in soil samples. By harnessing bacterial autofluorescence detection and machine learning algorithms, the platform achieved an average accuracy of 88% in distinguishing common soil-related bacterial species despite the lack of biomarkers, nucleic acid amplification, or gene sequencing. Furthermore, it successfully identified dominant species within various bacterial mixtures with an accuracy of 76% and three-level soil health identification at an accuracy of 80%–82%, providing insights into microbial community dynamics. The influence of other soil conditions (pH and moisture) was relatively minor, showcasing the platform's robustness. Various field soil samples were also tested with this platform at 80% accuracy compared with the laboratory analyses, demonstrating the practicality and usability of this approach for on-site soil analysis. This study highlights the potential of the smartphone-based system as a valuable tool for soil assessment, microbial monitoring, and environmental management.

1.
J. B. H.
Martiny
,
S. E.
Jones
,
J. Y.
Lennon
, and
A. C.
Martiny
,
Science
350
,
aac9323
(
2015
).
2.
N. W.
Sokol
,
E.
Slessarev
,
G. L.
Marschmann
,
A.
Nicolas
,
S. J.
Blazewicz
,
E. L.
Brodie
,
M. K.
Firestone
,
M. M.
Foley
,
R.
Hestrin
,
B. A.
Hungate
,
B. J.
Koch
,
B. W.
Stone
,
M. B.
Sullivan
,
O.
Zablocki
,
J.
Pett-Ridge
, and
LLNL Soil Microbiome Consortium
,
Nat. Rev. Microbiol.
20
,
415
430
(
2022
).
3.
S. M.
Hermans
,
H. L.
Buckley
,
B. S.
Case
,
F.
Curran-Cournane
,
M.
Taylor
, and
G.
Lear
,
Microbiome
8
,
79
(
2020
).
4.
S. M.
Hermans
,
G.
Lear
,
B. S.
Case
, and
H. L.
Buckley
,
iScience
26
,
106028
(
2023
).
5.
S.
Jiao
,
W.
Chen
,
J.
Wang
,
N.
Du
,
Q.
Li
, and
G.
Wei
,
Microbiome
6
,
146
(
2018
).
6.
U.
De Corato
,
Chem. Biol. Technol. Agric.
7
,
17
(
2020
).
7.
O.
Manor
,
C. L.
Dai
,
S. A.
Kornilov
,
B.
Smith
,
N. D.
Price
,
J. C.
Lovejoy
,
S. M.
Gibbons
, and
A. T.
Magis
,
Nat. Commun.
11
,
5206
(
2020
).
8.
Z.
Cheng
,
Q.
Zheng
,
J.
Shi
,
Y.
He
,
X.
Yang
,
X.
Huang
,
L.
Wu
, and
J.
Xu
,
ISME Commun.
3
,
1
13
(
2023
).
9.
H.
Kim
,
Y.-H.
Park
,
J. E.
Yang
,
H.-S.
Kim
,
S.-C.
Kim
,
E.-J.
Oh
,
J.
Moon
,
W.
Cho
,
W.
Shin
, and
C.
Yu
,
Toxics
10
,
117
(
2022
).
10.
R. C.
Wilhelm
,
H. M.
van Es
, and
D. H.
Buckley
,
Soil Biol. Biochem.
164
,
108472
(
2022
).
11.
D. A.
Cowan
,
P. H.
Lebre
,
C. E. R.
Amon
,
R. W.
Becker
,
H. I.
Boga
,
A.
Boulangé
,
T. L.
Chiyaka
,
T.
Coetzee
,
P. C.
de Jager
,
O.
Dikinya
,
F.
Eckardt
,
M.
Greve
,
M. A.
Harris
,
D. W.
Hopkins
,
H. B.
Houngnandan
,
P.
Houngnandan
,
K.
Jordaan
,
E.
Kaimoyo
,
A. K.
Kambura
,
G.
Kamgan-Nkuekam
,
T. P.
Makhalanyane
,
G.
Maggs-Kölling
,
E.
Marais
,
H.
Mondlane
,
E.
Nghalipo
,
B. W.
Olivier
,
M.
Ortiz
,
L. R.
Pertierra
,
J.-B.
Ramond
,
M.
Seely
,
I.
Sithole-Niang
,
A.
Valverde
,
G.
Varliero
,
S.
Vikram
,
D. H.
Wall
, and
A.
Zeze
,
Microbiome
10
,
131
(
2022
).
12.
A.
Bollmann-Giolai
,
M.
Giolai
,
D.
Heavens
,
I.
Macaulay
,
J.
Malone
, and
M. D.
Clark
,
Microbiol. Open
9
,
e1133
(
2020
).
13.
J.
Banerjee
,
J. N.
Taroni
,
R. J.
Allaway
,
D. V.
Prasad
,
J.
Guinney
, and
C.
Greene
,
Nat. Methods
20
,
803
814
(
2023
).
14.
Y.
Liang
,
A.
Zhou
,
C. S.
Bever
,
L. W.
Cheng
, and
J.-Y.
Yoon
,
Microchim. Acta
189
,
322
(
2022
).
15.
S.-H.
Wen
,
V.
Jhanji
, and
C. Y.
Dong
,
Optik
168
,
384
389
(
2018
).
16.
V. L.
Mosiman
,
B. K.
Patterson
,
L.
Canterero
, and
C. L.
Goolsby
,
Cytometry
30
,
151
156
(
1997
).
17.
X.
Jiang
,
T.
Pees
, and
B.
Reinhold-Hurek
,
New Phytol.
235
,
2481
2495
(
2022
).
18.
D.
He
,
T.
Li
,
X.
Yang
,
Y.
Xu
, and
H.
Sun
,
J. Biophotonics
16
,
e202200357
(
2023
).
19.
S.
Lemire
,
O.-M.
Thoma
,
L.
Kreiss
,
S.
Völkl
,
O.
Friedrich
,
M. F.
Neurath
,
S.
Schürmann
, and
M. J.
Waldner
,
Int. J. Mol. Sci.
23
,
2338
(
2022
).
20.
P.
Patil
,
Int. J. Res. Appl. Sci. Eng. Technol.
10
(
1
),
1493
(
2022
).
21.
X.
Jia
,
D.
O'Connor
,
Z.
Shi
, and
D.
Hou
,
Environ. Pollut.
268
,
115845
(
2021
).
22.
R. B.
Ghannam
and
S. M.
Techtmann
,
Comput. Struct. Biotechnol. J.
19
,
1092
(
2021
).
23.
A. A.
Javadi
and
M.
Rezania
,
Geomech. Eng.
1
,
53
(
2009
).
24.
H.
Yang
,
K.
Huang
,
K.
Zhang
,
Q.
Weng
,
H.
Zhang
, and
F.
Wang
,
Environ. Sci. Technol.
55
,
14316
14328
(
2021
).
25.
S.
Zhong
,
K.
Zhang
,
D.
Wang
, and
H.
Zhang
,
Chem. Eng. J.
405
,
126627
(
2021
).
26.
N. S.
Muhamad Rizal
,
H. M.
Neoh
,
R.
Ramli
,
P. A. L. K.
Periyasamy
,
A.
Hanafiah
,
M. N.
Abdul Samat
,
T. L.
Tan
,
K. K.
Wong
,
S.
Nathan
,
S.
Chieng
,
S. H.
Saw
, and
B. Y.
Khor
,
Diagnostics
10
,
816
(
2020
).
27.
J. H.
Jo
,
E. A.
Kennedy
, and
H. H.
Kong
,
J. Invest. Dermatol.
136
,
e23
e27
(
2016
).
28.
T.
Navab-Daneshmand
,
M. N. D.
Friedrich
,
M.
Gächter
,
M. C.
Montealegre
,
L. S.
Mlambo
,
T.
Nhiwatiwa
,
H.-J.
Mosler
, and
T. R.
Julian
,
Am. J. Trop. Med. Hyg.
98
,
803
(
2018
).
29.
E. E.
Natvig
,
S. C.
Ingham
,
B. H.
Ingham
,
L. R.
Cooperband
, and
T. R.
Roper
,
Appl. Environ. Microbiol.
68
,
2737
(
2002
).
30.
J.
Schierstaedt
,
S.
Jechalke
,
J.
Nesme
,
K.
Neuhaus
,
S. J.
Sørensen
,
R.
Grosch
,
K.
Smalla
, and
A.
Schikora
,
Environ. Microbiol.
22
,
2639
(
2020
).
31.
A. D.
Gates
,
A. M.
French
,
A. A.
Demetros
,
B. R.
Kelley
, and
S. L.
Lebeis
,
Phytobiomes J.
7
,
515
(
2023
).
32.
G.
Depret
,
S.
Houot
,
M.-R.
Allard
,
M.-C.
Breuil
,
R.
Nouaïm
, and
G.
Laguerre
,
FEMS Microbiol. Ecol.
51
,
87
(
2004
).
33.
K. E.
McCracken
,
S. V.
Angus
,
K. A.
Reynolds
, and
J.-Y.
Yoon
,
Sci. Rep.
6
,
27529
(
2016
).
34.
K. L.
Elbing
and
R.
Brent
,
Curr. Protoc. Mol. Biol.
125
,
e81
(
2019
).
35.
J.
Surre
,
C.
Saint-Ruf
,
V.
Collin
,
S.
Orenga
,
M.
Ramjeet
, and
I.
Matic
,
Sci. Rep.
8
,
12088
(
2018
).
36.
J.
Willemse
and
G. P.
van Wezel
,
PLoS One
4
,
e4242
(
2009
).
37.
Y.
Kroupitski
,
R.
Gollop
,
E.
Belausov
,
R.
Pinto
, and
S.
Sela (Saldinger)
,
Front. Microbiol.
10
,
639
(
2019
).
38.
M.
Frederix
,
A.
Edwards
,
A.
Swiderska
,
A.
Stanger
,
R.
Karunakaran
,
A.
Williams
,
P.
Abbruscato
,
M.
Sanchez-Contreras
,
P. S.
Poole
, and
J. A.
Downie
,
Mol. Microbiol.
93
,
464
478
(
2014
).
39.
A.
Bouchard
,
J.
Frechette
,
M. L.
Vernon
,
J.-F.
Cormier
,
R. M.
Beaulieu
,
R.
Vallée
, and
A. A.
Mafu
,
J. Biomed. Opt.
11
,
014011
(
2006
).
You do not currently have access to this content.