Vanadium in Soils Chemistry and Ecotoxicity

 

 

39 

 

5.2.2  Bioavailability 

The  dissolved  vanadium  speciation  was  estimated  by  HPLC-ICP-MS  on 

CaCl

2

-extracts of the aged Pustnäs, Säby and Ter Munck soils (Paper III), and 

on  the  solutions  obtained  from  sorption  experiments  performed  with  the 

Pustnäs  and  Säby  soils  (Paper  IV).  The  results  were  consistent  with  the 

hypothesis  that  the  prevailing  oxidation  state  is  vanadium(V).  In  most  soils 

vanadium(V)  comprised  more  than  90%  of  total  dissolved  vanadium 

concentration  (Table  6).  Considering  the  conditions  in  the  soils  used  in  the 

toxicity  experiments,  such  as  pH  and  organic  matter  content,  the  measured 

bioavailable  vanadium  was  expected  to  mainly  consist  of  vanadium(V)  in  all 

soils. 

It was evident from the large range of toxic threshold values that different 

soils  and  different  vanadium  treatments  affected  the  concentration  of 

bioavailable  vanadium.  The  FSS  value,  which  was  determined  for  the  soils 

used in the freshly spiked treatment, was positively correlated to the measured 

EC50  values  (Figure  10).  In  a  correlation  analysis  performed  on  the  EC50 

values and different soil properties, none of the soil properties included could 

statistically  be  identified  as  significantly  affecting  the  threshold  values. 

However, there was a correlation between EC50 values and oxalate-extractable 

iron  for  four  of  the  soils,  excluding  the  Guadalajara  soil.  Metal  (hydr)oxides 

are  important  for  vanadium  sorption  in  soil,  but  they  are  not  the  only 

controlling factor (Gäbler et al., 2009). 

Ageing of the soils decreased the vanadium bioavailability. This was shown 

not  only  by  the  EC50  values  obtained, but  also by  the  kinetic  experiments  in 

which  the  concentration  of  soluble  vanadium  decreased  by  approximately  a 

half between 14 and 100 days after vanadium spiking. The importance of metal 

Table 6. Vanadium speciation in the dissolved phase of the soil, determined by HPLC-ICP-MS on 

CaCl

2

-extracts of aged soils and on the solution of soils subjected to sorption experiments. 

Soil 

V addition 

Dissolved V 

V(IV) 

V(V) 

 

 

(mg kg

-1

) 

(mg L

-1

) 

(%) 

Aged soils (Paper III) 

 

 

 

 

Pustnäs 

H

2

VO

4

-

(aq)

 

150 

3.03 

4 

96 

Säby 

H

2

VO

4

-

(aq)

 

290 

0.65 

9 

91 

Ter Munck 

H

2

VO

4

-

(aq)

 

270 

3.16 

4 

96 

Sorption experiments (Paper IV) 

 

 

 

Pustnäs 

VO

2+

(aq)

 

115 

2.00 

3 

97 

Pustnäs 

H

2

VO

4

-

(aq)

 

115 

4.67 

4 

96 

Säby 

VO

2+

(aq)

 

115 

0.23 

32 

68 

Säby 

H

2

VO

4

-

(aq)

 

115 

0.42 

25 

75 

---

 

40 

 

 

 

Figure 10. (Left) Vanadium sorption strength and (right) oxalate-extractable iron in relation to 

estimated EC50 values in the plant growth assays. 

 (hydr)oxides  for  vanadium  sorption  was  confirmed  by  oxalate  extractions  of 

the aged soils, according to which extractable vanadium increased with ageing 

time.  This  is  probably  because  vanadium  was  incorporated  into  the  metal 

(hydr)oxides during ageing, as suggested by Martin and Kaplan (1998). 

The plant vanadium content increased linearly with increasing aqua regia-

extractable vanadium concentration in the soil when plotted separately by soil 

and  vanadium  treatment  (Figure  11).  Thus  the  vanadium  concentration  in  the 

plant could be used as an estimate of bioavailable vanadium content in the soil. 

Even though vanadium is mainly accumulated in the roots, this relationship has 

also  been  observed  in  a  pot  experiment  performed  with  alfalfa  (Yang  et  al., 

2011).  The  largest  increase  in  vanadium  uptake  (slope)  was  observed  for  the 

freshly  spiked  soils  and  the  lowest  for  the  aged  and  BF  slag-treated  soils 

(Figure 11). As discussed above, a fraction of the vanadium  in  the aged soils 

was  incorporated  into  metal  (hydr)oxides,  but  for  the  BF  slags  the  slow 

dissolution  of  vanadium  from  the  slag  matrix  was  an  additional  process  that 

controlled the bioavailability.  

When  all  soils  and  vanadium  treatments  were  plotted  together,  the 

correlation  between  vanadium  bioavailability  (i.e.  plant  vanadium)  and  the 

aqua  regia-extractable  vanadium  concentration  in  the  soil  was  weak,  having 

large  variation  (Figure  12).  This  variation  was  however  reduced  significantly 

by  comparing  the  plant  vanadium  against  the  dissolved  vanadium 

concentration  in  the  soil.  In  that  case,  the  variation  in  plant  vanadium  was 

much smaller, regardless of vanadium treatment and soils. In other words, the 

dissolved  vanadium  concentration  in  the  soil  was  a  much  better  estimate  of 

bioavailable vanadium in different soils and vanadium treatments. 

---