Vanadium in Soils Chemistry and Ecotoxicity

 

 

 

6

 

Concluding discussion 

45

 

7

 

Vanadium and risk assessments 

47

 

8

 

Sammanfattning (Swedish summary) 

49

 

References 

51

 

Acknowledgements 

59

 

 

---

 

 

7 

 

List of Publications 

This thesis is based on the work contained in the following papers, referred to 

by Roman numerals in the text: 

I

 

Larsson, M.A., Persson, I., Sjöstedt, C. & Gustafsson, J.P. (2014). Vanadate 

complexation to ferrihydrite: X-ray absorption spectroscopy and CD-

MUSIC modelling. Manuscript. 

II

 

Larsson, M.A., Baken, S., Gustafsson J.P., Hadialhejazi, G. & Smolders, E. 

(2013). Vanadium bioavailability and toxicity to soil microorganisms and 

plants. Environmental Toxicology and Chemistry 32 (10), 2266-2273. 

III

 

Baken, S., Larsson M.A., Gustafsson, J.P., Cubadda, F. & Smolders E. 

(2012). Ageing of vanadium in soils and consequences for bioavailability. 

European Journal of Soil Science 63 (6), 839-847. 

IV

 

Larsson, M.A., Baken, S., Smolders E., Cubadda F. & Gustafsson, J.P. 

(2014). Vanadium bioavailability in soils amended with blast furnace slag. 

Submitted manuscript. 

V

 

Larsson, M.A., D’Amato, M., Cubadda, F., Raggi, A., Öborn, I., Berggren 

Kleja, D. & Gustafsson, J.P. (2014). Long-term fate and transformations of 

vanadium added by converter lime to a forest soil. Submitted manuscript. 

Papers II and III are reproduced with the permission of the publishers. 

 

 

---

 

8 

 

 

The contribution of Maja A. Larsson to the papers included in this thesis was 

as follows: 

I

 

Planned the study together with the fourth author. Performed the 

laboratory work and XAS analysis with some assistance. EXAFS and 

wavelet analyses were performed by the second and third author, 

respectively. Performed the modelling and writing with assistance from  

the co-authors. 

II

 

Planned the study together with the second, third and fifth author. 

Performed the experimental work together with the second author. 

Performed data analyses and writing with assistance from the co-authors. 

III

 

Planned the study together with the first, third and fifth author. Performed 

the experimental work together with the first author and assisted in data 

analyses and writing. 

IV

 

Planned the study together with the third and fourth author. Performed 

experimental work together with the second author. Performed data 

analyses and writing with assistance from the co-authors. 

V

 

Planned the study together with the seventh author. Performed soil 

sampling, laboratory work and XANES data analysis. Performed writing 

with assistance from the co-authors. 

 

 

---

 

 

9 

 

Abbreviations 

EC10 

Effective concentration at 10% inhibition 

EC50 

Effective concentration at 50% inhibition 

EXAFS 

Extended X-Ray Absorption Fine Structure 

Fh 

Ferrihydrite 

HAO 

Aluminium (hydr)oxide 

LCF 

Linear combination fitting 

OM 

Organic matter 

PNR 

Potential Nitrification Rate 

V 

Vanadium 

XANES 

X-Ray Absorption Near Edge Structure 

XAS 

X-Ray Absorption Spectroscopy 

 

 

 

---

 

 

 

 

 

---

 

 

11 

 

1  Introduction 

Vanadium,  V,  is  a  transition  metal  and  is  among  the  20  most  abundant 

elements  in  the  Earth’s  crust,  in  the  same  concentration  range  as  lead  and 

copper.  Its  main  application  in  human  society  is  within  the  steel  industry,  in 

alloys. The anthropogenic input to the environment is dominated by burning of 

fossil fuels. The steel industry generates by-products that due to their alkalinity 

and physical properties are suitable as soil amendments, road fill materials and 

cement.  In  Sweden, these materials are naturally high  in vanadium.  Since the 

human body always contains traces of vanadium, there are ethical and practical 

issues  with  investigating  the  impact  of  vanadium  deficiency  in  humans.  Thus 

vanadium  essentiality  to  humans  has  still  not  been  confirmed  (Anke  et  al., 

2005).  However,  excessive  vanadium  concentrations  may  be  carcinogenic 

(Beyersmann  &  Hartwig,  2008).  Historically,  there  are  cases  of  accidental 

releases of vanadium to the environment. One of the most recent was a spillage 

of  the  bauxite  residue  “red  mud”  in  Ajka,  Hungary,  in  2010.  In  addition  to 

alkalinity and sodium concentrations, the red mud also contained 900 mg kg

-1

 

vanadium  (Ruyters  et  al.,  2011).  In  the  1980s,  basic  slag  containing  3% 

vanadium  was  inappropriately  applied  as  a  soil  amendment  in  Lillpite  in 

northern  Sweden.  The  amendment  resulted  in  contamination  of  hay,  which 

caused  the  death  of  23  cattle  due  to  acute  vanadium  toxicity  (Frank  et  al., 

1996).  

Knowledge  of  vanadium  behaviour  in  soils  is  poor  compared  with  that  of 

heavy metals such as copper, lead and zinc, and many countries lack threshold 

values  for  vanadium in soils and waters. The median value of total vanadium 

concentration in European topsoils is 60 mg kg

-1

, but some soils may have up 

to 500 mg V kg

-1

. In comparison, most toxicity-based values for unacceptable 

risks range from 90 to 500 mg V kg

-1

 for those member states of the European 

Union that have established limit values for vanadium in soils (Carlon, 2007). 

 

---