Vanadium in Soils Chemistry and Ecotoxicity

 

 

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6  Concluding discussion 

The aim of this thesis was to improve existing knowledge regarding vanadium 

sorption,  toxicity  and  speciation  in  soils,  with  the  ultimate  aim  of  improving 

environmental risk assessments. 

Vanadium  adsorbed  strongly  to  ferrihydrite  forming  a  vanadate(V)  edge-

sharing  bidentate  complex.  This  complex  could  be  used  to  describe  the 

vanadium adsorption pattern in competition with phosphate by the CD-MUSIC 

model. The importance of iron (hydr)oxides for vanadium retention in soil was 

confirmed  by  adsorption  experiments  and  the  long-term  field  study.  Hence, 

since  ferrihydrite  is  an  important  sorbent  in  many  Swedish  soils,  this  model 

could be utilised in a more generalised model explaining vanadium sorption in 

soils. However, it was also shown that iron (hydr)oxides may not be the only 

determining  factor  for  the  sorption.  Other  soil  constituents,  such  as  organic 

matter  and  aluminum  (hydr)oxides,  may  play  a  significant  role  in  some  soils 

and  more  detailed  information  regarding  their  role  for  vanadium  sorption  is 

needed. This would gain a more profound understanding of vanadium sorption 

as well as vanadium bioavailability in different soils. 

The soil properties did not only affect vanadium sorption but also vanadium 

speciation in the soil. By combining two vanadium speciation methods, it was 

shown  that  vanadium  speciation  in  soils  was  mainly  determined  by  the 

conditions in the soil, and not by the vanadium species added to the soil. The 

two  speciation  methods  used  proved  promising  in  terms  of  estimating  the 

vanadium speciation with almost no pretreatment. Vanadium  K-edge XANES 

spectroscopy had a distinct advantage with the strong correlation between pre-

edge peak intensity and the position of the main edge with the oxidation state. 

However,  evaluation  of  vanadium  K-edge  XANES  spectra  for  soil  samples 

needs  to  be  improved.  A  larger  library  of  vanadium  standards  would  help 

determine the variation in pre-edge peak and main edge with oxidation state. It 

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could  also  provide  a  possibility  to  extend  the  linear  combination  fitting 

approach. 

The relationship demonstrated in this thesis between bioavailability and the 

vanadium  concentration  in  the soil solution  represents a great  step forward in 

assessing  the  toxicity  risks  arising  from  vanadium  in  soils.  Toxicity  risk 

assessment could be even more accurate if more were known about factors in 

the  soil  solution  that  affect  vanadium  uptake.  One  aspect  is  the  effect  of 

concentration  of  other  oxyanions  in  terms  of  competition  for  uptake  by 

organisms  as  well  as  competition  for  sorption  sites.  Phosphate  and  dissolved 

organic  acids  are  probably  the  most  important  compounds  to  consider  since 

they  occur  in  much  higher  concentrations  in  the  soil  compared  to  vanadium. 

Increased knowledge about the competition with other constituents could also 

be beneficial in terms of formulating remediation measures. 

 

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7  Vanadium and risk assessments 

In  principle,  all  blast  furnace  slags  generated  in  Sweden  today  are  re-used  in 

e.g.  road  materials.  One  of  the  main  concerns  about  their  use  in  the 

environment  is  the  elevated  concentrations  of  vanadium  they  contain.  The 

Swedish generic guideline values for vanadium in soil are 100 and 200 mg V 

kg

-1

 soil for sensitive and less sensitive land use, respectively, and are based on 

the  pseudo-total  vanadium  concentration  in  the  soil.  In  the  first  phase  of  an 

environmental  risk  assessment,  the  measured  vanadium  concentration  in  the 

soil is normally compared with generic guideline values. However, as shown in 

this thesis, vanadium bioavailability varies considerably between different soils 

and  vanadium  treatments.  Hence  the  generic  guideline  values  may  be 

misleading  by  either  over-  or  under-estimating  the  ecotoxicological  risk  in  a 

specific soil. 

One  way  to  improve  site  specific  risk  assessments  would  be  to  relate  the 

ecotoxicological  risk  to  the  soil  solution  concentration,  which  would  narrow 

the range of uncertainty considerably. Soil solution chemistry not only gives a 

better  estimate  of  vanadium  bioavailability,  but  is  also  directly  linked  to  the 

risk of vanadium leaching to groundwater and surface waters. From a practical 

perspective, a simple leaching  test based on CaCl

2

  extraction would probably 

be the most appropriate in this respect. 

The  risk  of  vanadium  contamination  of  soils  through  addition  of 

metallurgical slags seems very limited based on the experiments performed in 

this  thesis.  However,  different  slags  differ  in  vanadium  concentrations  and 

solubility. Depending on the slag and the soil, the application may pose a risk 

of  vanadium  contamination.  One  aspect  that  needs  to  be  considered  is  the 

leaching  of  vanadium  from  the  material  under  field  conditions,  which  should 

be based on in situ measurements over longer time periods. Another aspect is 

to consider the soil properties in areas where the material is applied, in order to 

assess  the  risk  of  vanadium  contamination  of  waters  and  organisms. 

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