Vanadium in Soils Chemistry and Ecotoxicity

 

 

29 

 

BF  slag-treated  soils  was  determined  by  0.01  M  CaCl

2

  extraction  at  a  20  g 

soil:20  ml  CaCl

2

  ratio  with  an  equilibrium  time  of  24  h.  The  two  extraction 

methods were compared for  some samples  of  the freshly spiked soils and the 

vanadium concentrations were found to be within the same range. 

The vanadium concentration in the plant (plant vanadium) was determined 

for the barley plants from the shoot assay by digesting 200 mg of plant material 

with  3-4  mL  of  67%  nitric  acid  at  180  ºC.  All  vanadium  concentrations 

determined for soils and plants were measured by ICP-OES. 

4.2.4  Statistical evaluation 

The EC10 and EC50 values represent the concentration of added vanadium in 

the soil at which a 10 and 50% reduction in the response occurs, respectively. 

These values were determined for all toxicity assays performed on the freshly 

spiked and aged soils by a log-logistic dose response model (Equations 1-2):  

?????? =

??????

1 +

1

9

??????????????????⁡(?????? × ????????????

??????

????????????10

)⁡

⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡????????????????????????????????????????????????⁡1 

 

?????? =

??????

1 + ??????????????????⁡(?????? × ????????????

??????

????????????50

)⁡

⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡????????????????????????????????????????????????⁡2 

where Y  represents the response (i.e.  barley shoot biomass),  c  is  the response 

parameter in the control, b is the slope parameter and X is the added vanadium 

concentration  (total  vanadium  concentration  minus  the  background  vanadium 

in the soils from aqua regia digestions). 

Significant  differences  in  threshold  values  between  soils  and  assays  were 

pair-wise tested by single-sided t tests with 95% confidence limits.  

4.2.5  Soil sorption properties 

Vanadium  sorption  isotherms  were  determined  for  five  of  the  mineral  soils 

(Paper II). The isotherms were determined by performing batch experiments in 

which a range of dissolved vanadate(V) concentrations (0-15  mg  V kg

-1

)  was 

added  to  the  soils  and  equilibrated  for  six  days.  The  vanadium  sorption 

isotherms  were  then  determined  according  to  the  Freundlich  equation 

(Equation 3): 

??????

????????????????????????

+ ??????

????????????????????????

= ??????

??????

× ??????

??????

⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡????????????????????????????????????????????????⁡3 

where  the  total  concentration  of  sorbed  vanadium  is  the  initially  sorbed 

vanadium  (n

init

)  plus  the  vanadium  sorbed  from  additions  (n

sorb

)  and  c  is  the 

measured  dissolved  vanadium  concentration  in  solution.  K

F

  (the  Freundlich 

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30 

 

coefficient) and m (non-ideality parameter) are adjustable parameters. The n

init

 

was fitted by trial and error, using the linear regression tool on log-transformed 

values  in  Microsoft  Excel.  The  best  fit  was  selected  based  on  the  highest 

obtained  R

2

  value  and  the  optimised  m  and  K

F

  could  be  obtained  from  the 

linear  equation  derived.  Furthermore,  the  Freundlich  sorption  strength  (FSS) 

was  determined from the sorption isotherms for  each soil  and represented the 

amount of sorbed vanadium when the solution contained 2.6 mg V L

-1

. 

In one experiment in paper III, the vanadium reaction kinetics were studied. 

In addition to the three aged soils, a fourth soil (Hygum, Table 2) was included. 

The four soils were treated with two different concentrations of vanadium (32 

and 100 mg V kg

-1

) and incubated at 20 ºC. Between 3 and 100 days after soil 

spiking, sub-samples were taken and extracted with 0.01 M CaCl

2

 to evaluate 

the  change  in  soluble  vanadium  over  time.  Oxalate  extractions  was  also 

performed  on  the  amended  and  non-amended  Pustnäs,  Säby  and  Ter  Munck 

soils to quantify the amount of vanadium retained by metal (hydr)oxides. 

The  Pustnäs,  Säby  and  Ter  Munck  soils  were  also  subjected  to  speciation 

analysis  by  XANES  spectroscopy  and/or  HPLC-ICP-MS,  as  described  in  the 

“Analytical methods” section. 

4.3  Long-term field study (Paper V) 

The long-term field study was carried out in a pine forest stand at Ringamåla in 

southern Sweden that had been amended with converter lime in 1984, 26 years 

prior  to  sampling (Figure  6).  The converter lime contained 14.6 g V kg

-1

  and 

had been added manually to the soil surface at concentrations of 0, 0.2, 0.7 and 

1.0 kg V m

-2

 in 10 m × 10 m plots, corresponding to vanadium additions of 2.9, 

10.2 and 14.6 g m

-2

. Each lime addition was made in triplicate plots except for 

the  highest  addition,  for  which  only  one  replicate  was  available.  Separate 

Figure 6. (Left) The Ringamåla field site and (right) schematic diagram of the soil layers 

sampled.

 

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