Vanadium in Soils Chemistry and Ecotoxicity

 

 

37 

 

5.2  Vanadium toxicity and bioavailability (Papers II-IV) 

5.2.1  Threshold values 

The  toxicity  assays  showed  a  clear  negative  response  to  increasing  vanadium 

concentration in the soils. Hence no hormesis effects were observed for any of 

the toxicity assays performed. 

Microorganisms 

The  EC50  values  obtained  in  the  substrate-induced  respiration  assay  ranged 

from  200  to  580  mg  added  V  kg

-1

  and  the  EC10  values  from  8.4  to  58  mg 

added  V  kg

-1

  soil  (Table  5).  Many  of  the  threshold  values  were  uncertain, 

however,  with  large  standard  error.  In  the  potential  nitrification  rate  assay, 

EC50 values ranged from 28 to 690 mg added V kg

-1

 soil, which is a 24-fold 

difference between soils. Most of the EC10 values were within the range of the 

vanadium  background  concentrations.  The  potential  nitrification  assay  is 

known  to  be  a  sensitive  endpoint  (Broos  et  al.,  2005).  The  response  in  the 

untreated  control  soils  varied  by  a  factor  of  up  to  20  between  soils.  This 

demonstrated that the conditions in the soil itself had a strong influence on the 

microbial populations. Inhibition of nitrification and nitrogen mineralisation, in 

the short  term,  has previously  been observed at  a dose of 250 mg V  kg

-1

  soil 

(Liang & Tabatabai, 1978; Liang & Tabatabai, 1977) but as indicated here the 

inhibiting  vanadium  concentration  may  span  a  much  wider  range  in  different 

soils. 

Table  5.  Vanadium  toxicity  threshold  values  (EC10  and  EC50)  for  microorganisms  in  five 

different  soils.  Values  are  based  on  the  added  vanadium  concentration  ±  standard  error  of  the 

mean. 

 

Substrate-induced respiration 

  Potential nitrification rate 

Soil

a

 

Control

b

 

EC10 

EC50 

 

Control

b

 

EC10 

EC50 

 

(µg glucose g

-1

 d

-1

)

 

(mg V kg

-1

)  (mg V kg

-1

)    (µg NO

3

-N g

-1

 d

-1

)

 

(mg V kg

-1

)  (mg V kg

-1

) 

G 

46 ± 5 

58 ± 26 

580 ± 97 

 

11.5 ± 0.7 

19 ± 4 

130 ± 11 

P 

321 ± 13 

10 ± 4 

200 ± 28 

 

2.3 ± 0.2 

14 ± 3 

100 ± 8 

S 

502 ± 70 

24 ± 11 

320 ± 57 

 

4.7 ± 0.1 

190 ± 30 

690 ± 46 

T 

190 ± 13 

8.4

c

 

320 ± 133   

10.2 ± 0.2 

35 ± 8 

330 ± 30 

Z 

25 ± 2 

26

e

 ± 15 

220

e

 ± 50   

2.1

d

 ± 0.1 

2.2

d

 ± 0.7 

28

d

 ± 4 

a

See Table 1 for abbreviations. 

b

Microbial response in uncontaminated control soil with standard deviation (n=3). 

c

Standard error > threshold value. 

d

Value based on 28 observation days, see text.  

e

Threshold value based on nominal vanadium concentration. 

 

---

 

38 

 

 

Plants 

The plant assays performed on the freshly spiked soils produced EC50 values 

that varied between 18 and 510 mg added V kg

-1

 soil (Figure 9). Tomato shoot 

growth  was  the  most  sensitive  to  increasing  vanadium  addition,  while  barley 

root  elongation  was  the  least  sensitive.  The  latter  finding  was  unexpected 

considering that vanadium is accumulated in plant roots (Yang et al., 2011; Gil 

et  al.,  1995;  Kaplan  et  al.,  1990a).  The  reason  may  be  the  relatively  short 

period of time (5 days) over which the assay was conducted. Comparing with 

other  plant  species  grown  in  a  standard  soil  with  different  V

2

O

5

  additions 

(Smith  et  al.,  2013)  the  EC50  values  determined  here  were  within  the  same 

range.  However,  as  for  the  microbial  assays,  it  was  found  that  the  variation 

increased when different soils were tested. In contrast to the microbial assays, 

the threshold values in the plant assays correlated to the soil type. The lowest 

threshold values were obtained in the sandy Zwijnaarde soil for all three plant 

assays and the highest values in the more clayey Säby soil. 

In comparison with the freshly spiked soils, ageing of the soils increased the 

threshold values for plants by a factor of between 1.3 and 2.9. This resulted in 

EC50  values  ranging  from  46  to  780  mg  added  V  kg

-1

  soil  (Figure  9).  The 

ageing  process  is  known  to  reduce  the  bioavailability  of  other  elements 

(Smolders  et  al.,  2009).  In  the  case  of  vanadium,  prior  to  this  thesis  work, 

ageing has only been briefly mentioned (Martin & Kaplan, 1998). 

Soils  amended  with  BF  slag  did  not  exert  any  negative  impact  on  barley 

shoot growth up to the highest addition of 29 weight-% BF slag. However, the 

added vanadium concentrations in the BF slag-amended soils were within the 

range  of  threshold  values  determined  for  the  freshly  spiked  soils.  Hence,  the 

bioavailability was much lower when the vanadium was added by BF slag. 

 

Figure 9. Range of vanadium EC50 values obtained for plant assays conducted on freshly spiked 

(black) and aged soils (red). Markers represent the EC50 value determined in the respective soil. 

The soil marked with * had an EC50 value larger than the stated value.  

* 

---