Vanadium in Soils Chemistry and Ecotoxicity

 

26 

 

been spiked with vanadate(V) 5-10 months earlier (aged) (Paper III) and soils 

amended  with  blast  furnace  (BF)  slag  containing  relatively  large  amounts  of 

vanadium  (Paper  IV).  Freshly  spiked  soils  were  subjected  to  five  different 

toxicity assays (Table 3); two microbial tests (respiration and nitrification), and 

three plant tests (barley root elongation, barley shoot growth and tomato shoot 

growth). The three plant assays were also performed on the aged soils and the 

barley shoot growth assay was conducted on the BF slag-treated soils.  

4.2.1  Soil treatments 

The  freshly  spiked  and  aged  soils  were  amended  with  different  initial 

concentrations  of  dissolved  vanadate(V)  (0,  3.2,  10,  32,  100,  320,  1000  and 

3200 mg V kg

-1

 soil). The freshly spiked soils were amended one week before 

the assays were carried out. The aged soils were kept outdoors in plastic pots 

with  free  drainage  before  starting  the  toxicity  assays.  Two  soils,  Pustnäs  and 

Säby,  were  aged  for  approximately  10  months  at  an  experimental  facility  in 

Sweden  (Figure  4)  and  one  soil,  Ter  Munck,  was  aged  for  five  months  at  a 

facility  in  Belgium.  The  Pustnäs  and  Säby  soils  were  also  amended  with  two 

different  BF  slags  (M-kalk  and  Merit  5000).  These  are  two  commercially 

available  products, 

produced  in  the  SSAB  Oxelösund  steelworks

.  M-kalk  is  an 

air-cooled blast furnace slag that is used as a soil amendment. Merit 5000 is a 

ground granulated blast furnace slag that is used in concrete. Both slags had a 

total  vanadium  concentration  of  approx.  800  mg  kg

-1

  and  were  added  at 

concentrations  of  0.1,  1,  10  and  29  weight-%  BF  slag  kg

-1

  dry  soil.  These 

corresponded to vanadium additions of 8-230 mg V kg

-1

 soil. The aged and BF 

slag-amended  soils  were  again  air-dried  after  the  ageing  period,  sieved  and 

then stored until the assays were conducted. Before starting the toxicity assays, 

all soils were wetted to half field capacity and then incubated for 1 week at 20 

ºC in the dark. 

Table 3. Summary of toxicity assays performed for the different vanadium soil treatments. 

Soil treatment 

Microbial assays 

 

Plant assays 

 

Respiration 

Nitrification   

Root elongation 

 

Shoot growth 

 

 

 

 

Barley 

 

Barley 

Tomato 

Freshly spiked 

√

 

√

 

 

√

 

 

√

 

√

 

Aged 

 

 

 

√

 

 

√

 

√

 

BF slag 

 

 

 

 

 

√

 

√

 

 

 

---

 

 

27 

 

4.2.2  Toxicity assays 

Microorganism

The two assays of soil microbial response, using respiration and nitrification as 

indicators,  were  performed  following  the  standard  procedure  according  to 

OECD  217  (OECD,  2000)  and  ISO  14238  (ISO,  1997),  respectively.  The 

respiration  assay  was  conducted  by  adding  5  g  of  soil  to  plastic  vials  (three 

replicates  per  treatment),  which  were  spiked  with 

14

C  labelled  glucose.  The 

vials were then placed in bottles containing 5 mL 1 M NaOH to trap respired 

CO

2

.  After  24  h,  the  NaOH  was  sampled,  a  scintillation  cocktail  was  added, 

and  the 

14

CO

2

  concentration  was  measured  by  beta  scintillation  counting  (Tri 

Carb 2800 Tr; Perkin Elmer). The respiration rate was calculated based on the 

amount of labelled glucose respired per g of soil and day. 

The  potential  nitrification  rate  (PNR)  was  evaluated  after  adding  100  mg 

kg

-1

  NH

4

-N  to  100  g  of  wetted  soil,  with  three  replicates  per  vanadium 

treatment. The soils were then stored in the dark at 20 ºC and three subsamples 

were  taken  from  each  soil  after  0,  7  and  28  days.  The  subsamples  were 

extracted  with  1M  KCl  and  the  NO

3

-

  concentration  in  the  extracts  was 

measured  calorimetrically  (SA40;  Skalar).  The  PNR  was  estimated  by  the 

increase in NO

3

-

 during the first seven days and expressed as µg NO

3

-N g

-1

 soil 

day

-1

. Due to the low nitrification activity in the Zwijnaarde soil, the calculated 

PNR was based on the NO

3

-

 concentration after 28 days. 

Plants 

The two different plant toxicity assays performed were a root elongation assay 

according  to  ISO  11269-1  (ISO,  1993)  and  a  plant  shoot  assay  according  to 

ISO  11269-2  (ISO,  2005).  All  plants  were  grown  in  plastic  pots  containing 

Figure  4.  Ageing  of  the  Pustnäs and  Säby  soils,  after 

vanadate(V)  addition,  during  the  Swedish  winter 

(above) and summer (right).

 

---

 

28 

 

approximately 500 g of soil and with a 1 cm layer of inert plastic beads placed 

on the soil surface to reduce water losses. During the growing period, the pots 

were placed in a growth chamber that  was set to a 16 h  light (20 ºC) and 8 h 

dark (16 ºC) cycle (Figure 5). Water losses from the soils were monitored and 

replaced on a daily basis. 

The  root  elongation  test  was  conducted  with  barley  by  planting  10 

germinated  seeds  just  below  the  soil  surface  in  each  pot  (three  replicates  per 

treatment).  The  pots  were  then  placed  in  the  growth  chamber  for  five  days, 

after  which  the  seedlings  were  carefully  removed  from  the  soils.  The  longest 

root of each seedling was measured and a mean value was calculated for each 

pot. 

Two different plant shoot assays were performed; tomato and barley shoot 

growth, with four replicates per treatment. The soils were fertilised with 50 mg 

P  kg

-1

  and  100  mg  N  kg

-1

  one  week  before  commencing  the  assays  to  avoid 

nutrient  deficiency. Twenty  tomato seeds  or  10  germinated barley seeds  were 

placed just below the soil surface and the pots placed in the growth chamber. 

When  70%  of  the  seedlings  had  emerged  above  the  surface  (8-11  days  for 

tomato and 3 days for barley), they were reduced to five shoots per pot and left 

to grow for 12-14 days. After the growing period, the aerial parts of the plants 

were cut and weighed, air-dried at 70 ºC and then weighed again. 

4.2.3  Soil and plant vanadium 

The  pseudo-total  vanadium  concentration  in  the  soils  (soil  vanadium)  was 

determined by aqua regia digestion, which was performed in duplicate for the 

freshly spiked and aged soils and in one replicate per treatment for the BF slag-

treated soils. The dissolved vanadium concentration in the soils was established 

by soil solution extractions according to Merckx et al. (2001). The extractions 

were performed in duplicate on the freshly spiked and aged soils, which were 

wetted to just below field capacity and incubated at 20 ºC for three days. Soil 

solution  was  then  collected  from  approximately  50  g  of  soil  that  had  been 

centrifuged at 3000 g for 15 minutes. The amount of dissolved vanadium in the 

Figure  5.  Barley  plants  growing  in  the  growth 

chamber during the plant shoot assay. 

---