Vanadium in Soils Chemistry and Ecotoxicity

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Vanadium in Soils 

Chemistry and Ecotoxicity 

Maja A. Larsson 

Faculty of Natural Resources and Agricultural Sciences 

Department of Soil and Environment 

Uppsala 

 

 

 

Doctoral Thesis 

Swedish University of

 

Agricultural Sciences 

Uppsala 2014 

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2 

 

 

Acta Universitatis agriculturae Sueciae 

2014:102 

ISSN 1652-6880 

ISBN (print version) 978-91-576-8152-2 

ISBN (electronic version) 978-91-576-8153-9 

© 2014 Maja A. Larsson, Uppsala 

Print: SLU Service/Repro, Uppsala 2014 

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Vanadium in Soils, Chemistry and Ecotoxicity 

Abstract 

Vanadium  is  a  redox-sensitive  metal  that  is  released  to  soils  by  weathering  and 

anthropogenic  emissions.  Swedish  metallurgical  slags  are  naturally  high  in  vanadium 

and  used  as  soil  amendments  and  in  road  materials.  However,  understanding  of 

vanadium chemistry and bioavailability in soils is limited. The aim of this thesis was to 

provide knowledge of vanadium in soils in terms of sorption, toxicity and speciation, in 

order  to  enable  improved  environmental  risk  assessments.  Vanadium  sorption  to 

ferrihydrite was evaluated in batch experiments. Toxicity assays using microorganisms 

and  plants  were  conducted  to  measure  vanadium  toxicity  in  different  vanadium  soil 

treatments;  freshly  spiked,  aged  and  blast  furnace  slag  (800  mg  V  kg

-1

).  Vanadium 

speciation  in  a  podzolic  soil  amended  with  converter  lime  (14.6  g  V  kg

-1

)  26  years 

previously was assessed by using XANES spectroscopy and HPLC-ICP-MS. 

Ferrihydrite  adsorbed  vanadium  strongly,  but  adsorption  was  reduced  by  large 

additions of phosphate. EXAFS spectroscopy revealed that a vanadate(V) edge-sharing 

bidentate complex formed on the ferrihydrite surface. In the toxicity assays, increasing 

vanadium  sorption  strength  in  the  freshly  spiked  soils  reduced  the  toxicity.  Toxicity 

was also reduced by soil ageing, possibly because of vanadium incorporation into metal 

(hydr)oxides. No toxicity was observed when soils were amended with up to 29% blast 

furnace slag, probably owing to the low solubility of vanadium in slag. The variation in 

toxicity  between  soils  and  vanadium  treatments  was  due  to  differences  in 

bioavailability of vanadium which was explained by the vanadium concentration in soil 

solution.  The  vanadium  added  with  converter  lime  was  in  pentavalent  form,  but  the 

main fraction of the vanadium recovered from the mor layer sorbed to organic matter as 

vanadium(IV).  In  the  mineral  soil  layers,  the  added  vanadium  sorbed  to  metal 

(hydr)oxides  as  vanadium(V).  The  most  toxic  vanadium  form,  vanadium(V), 

dominated in the soil solution but the concentrations were below toxic levels. 

In  conclusion,  vanadium  toxicity  varies  between  soils  and  treatments  and  is  most 

accurately  described  by  the  vanadium  concentration  in  the  soil  solution.  Vanadium 

speciation  in  soil  is  mainly  controlled  by  soil  properties,  and  not  by  the  vanadium 

species added to the soil. 

Keywords:  vanadium,  soil,  ferrihydrite,  sorption,  toxicity,  bioavailability,  speciation, 

XANES spectroscopy, HPLC-ICP-MS. 

Author’s address: Maja A. Larsson, 

SLU

, Department of Soil and Environment,  

P.O. Box 7014, 740 07 Uppsala, Sweden  

E-mail: 

[e-mail]

.

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Till Mamma 

 

 

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Contents 

List of Publications 

7

 

Abbreviations 

9

 

1

 

Introduction 

11

 

2

 

Aim 

13

 

3

 

Background 

15

 

3.1

 

Vanadium in soils and waters 

15

 

3.1.1

 

Sources 

15

 

3.1.2

 

Redox chemistry 

16

 

3.1.3

 

Retention in soils 

17

 

3.1.4

 

Toxicity and bioavailability 

19

 

3.2

 

Determining vanadium speciation in soils 

20

 

3.2.1

 

Extraction and separation techniques 

20

 

3.2.2

 

X-ray absorption spectroscopy 

20

 

4

 

Materials and Methods 

23

 

4.1

 

Vanadium sorption to 2-line ferrihydrite (Paper I) 

24

 

4.2

 

Vanadium toxicity and bioavailability (Paper II-IV) 

24

 

4.2.1

 

Soil treatments 

26

 

4.2.2

 

Toxicity assays 

27

 

4.2.3

 

Soil and plant vanadium 

28

 

4.2.4

 

Statistical evaluation 

29

 

4.2.5

 

Soil sorption properties 

29

 

4.3

 

Long-term field study (Paper V) 

30

 

4.4

 

Analytical methods 

31

 

4.4.1

 

X-Ray Absorption Spectroscopy 

31

 

4.4.2

 

HPLC-ICP-MS with EDTA complexation 

33

 

5

 

Results and Discussion 

35

 

5.1

 

Vanadium adsorption to ferrihydrite (Paper I) 

35

 

5.2

 

Vanadium toxicity and bioavailability (Papers II-IV) 

37

 

5.2.1

 

Threshold values 

37

 

5.2.2

 

Bioavailability 

39

 

5.3

 

Vanadium speciation - long-term field study (Paper V) 

42

 

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