Vanadium in Soils Chemistry and Ecotoxicity



Yüklə 456,72 Kb.
Pdf görüntüsü
səhifə4/17
tarix05.03.2018
ölçüsü456,72 Kb.
#30458
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17

 

 

17 



 

3.1.3  Retention in soils 

Vanadium  is  considered  to  be  well  retained  in  soils  (Cappuyns  &  Swennen, 

2014;  Martin  &  Kaplan,  1998;  Mikkonen  &  Tummavuori,  1994b).  In  one 

study,  less  than  3%  of  the  vanadium  (0.56  mg  m

-2

)  applied  to  a  coastal  plain 



soil migrated below the amended soil depth during a 30-month period (Martin 

&  Kaplan,  1998).  In  another  study,  between  70  and  80  %  of  the  added 

vanadium (510 mg kg

-1

 soil) was found to be retained at pH 4 in three Finnish 



mineral  soils  (Mikkonen  &  Tummavuori,  1994b).  Application  of  different 

extraction and leaching methods to field-contaminated soils and sediments has 

demonstrated  that  a  very  small  fraction  (generally  <1%)  of  the  vanadium  is 

readily dissolved (Cappuyns & Swennen, 2014; Teng et al., 2011). Extremely 

low pH values enhance the solubility (Cappuyns & Swennen, 2014; Mikkonen 

&  Tummavuori,  1994b).  A  sorption  study  conducted  on  30  different  mineral 

soils  with  a  range  of  vanadate(V)  concentrations  (from  25  to  125  mg  V  kg

-1

 



soil) found different sorption characteristics depending on the soil type (Gäbler 

et al., 2009). The content of iron, aluminium and manganese (hydr)oxides was 

the main property that controlled vanadium sorption, but it was also affected by 

the clay and organic matter contents (Figure 2). Competition with other anionic 

species such as phosphate and arsenate may also reduce vanadium sorption in 

soils  (Mikkonen  &  Tummavuori,  1994a).  Over  a  long-term  perspective,  the 

behaviour of  vanadium in  soils is less well  known, but its solubility  has  been 

shown to decrease with time (Martin & Kaplan, 1998). 

 

 



Figure 2. Processes affecting vanadium cycling in soils. Background photo: Ann Kristin 

Eriksson.

 



 

18 


 

Metal (hydr)oxides 

The concentration of vanadium in natural waters is positively correlated to the 

iron  concentration  (Wällstedt  et  al.,  2010;  Auger  et  al.,  1999).  This  has  been 

attributed  to  strong  adsorption  of  vanadate(V)  to  colloidal  iron  (hydr)oxides 

(Wällstedt  et  al.,  2010).  In  natural  soils,  the  metal  (hydr)oxide  content  is 

considered one of the most important properties for vanadium sorption (Gäbler 



et  al.,  2009).  The  sorption  depends  on  the  type  of  (hydr)oxide,  as  well  as  on 

solution pH and the ratio between solid and solute. Similar to other oxyanions 

such as phosphate, molybdate and arsenate (Antelo et al., 2010; Su et al., 2008; 

Gustafsson,  2003),  vanadate(V)  is  strongly  retained  at  lower  pH,  when 

(hydr)oxide  surfaces  are  positively  charged  (Naeem  et  al.,  2007). 

Spectroscopic  measurements  have  shown  the  formation  of  a  vanadate(V) 

corner-sharing  bidentate  complex  on  the  surface  of  goethite  (Peacock  & 

Sherman, 2004). Although vanadate is somewhat more strongly adsorbed than 

phosphate, high concentrations of phosphate in relation to vanadate can reduce 

vanadate sorption (Blackmore et al., 1996). Sorption of vanadyl(IV) on  metal 

(hydr)oxides may also occur (Wehrli & Stumm, 1989). 

Organic matter 

Soil organic matter influences the speciation and mobility of vanadium in soils 

(Gäbler  et  al.,  2009;  Lu  et  al.,  1998).  Firstly,  dissolved  organic  matter  may 

occupy the binding sites on metal (hydr)oxides and thereby reduce the sorption 

of oxyanions (Geelhoed et al., 1998), although the significance of this process 

has  been  questioned  (Guppy  et  al.,  2005).  Another  aspect  is  the  capacity  of 

organic  matter  to  bind  vanadium,  in  particular  as  vanadyl(IV)  (Poledniok  & 

Buhl,  2003;  Lu  et  al.,  1998).  The  vanadyl  ion  coordinates  to  oxygen  donor 

atoms, most likely on carboxylate ligands (Lu et al., 1998). Humic substances 

may also reduce vanadium(V) to vanadyl(IV).  

Tyler  (2004), who studied  the vertical  distribution  of  trace elements in  the 

soil  profile  of  a  Haplic  Podzol,  found  that  the  surface  (mor)  layer,  high  in 

organic  matter,  retained  relatively  large  concentrations  of  vanadium.  The 

possibility  to remove vanadium  from  waste waters by the use  of  a biosorbent 

has been tested and the maximum adsorption is reported to occur around pH 4 

(Urdaneta  et  al.,  2008).  In  that  study,  vanadium  sorption  was  found  to  be 

around 50% which was low in comparison with the maximum of 95% removal 

observed  for  other  cationic  metals  such  as  lead(II),  nickel(II)  and 

chromium(II). 



 

 

19 



 

3.1.4  Toxicity and bioavailability 

Soil microorganisms are known to be sensitive to metals (Giller et al., 1998), 

but  knowledge  of  vanadium  toxicity  is  scarce.  Nitrification  and  nitrogen 

mineralisation  can  be  inhibited  by  vanadium  addition  (Liang  &  Tabatabai, 

1978;  Liang  &  Tabatabai,  1977).  However,  over  a  longer  period  of  time  (9 

years) vanadium addition is reported to have  no effects on nitrification (Wilke, 

1989). Furthermore, the enzyme phosphatase, which is mainly released by soil 

microorganisms to mineralise organic phosphorus, has shown reduced activity 

as a result of vanadium addition to spruce needle mor (Tyler, 1976). In general

metal toxicity to soil microorganisms differs between soils due to variations in 

bioavailability, but also due to the natural diversity of microbial communities 

(Giller et al., 1998). 

Concerning vanadium toxicity to plants, vanadium is mainly accumulated in 

the  roots  (Yang  et  al.,  2011;  Gil  et  al.,  1995;  Kaplan  et  al.,  1990a).  This  is 

probably  due  to  the  reduction  of  vanadate(V)  to  vanadyl(IV)  during  root 

uptake,  which  decreases  further  translocation  within  the  plant  (Morrell  et  al.

1986).  For  solution  cultures  of  plants,  the  range  of  observed  toxic  vanadium 

levels is relatively wide and varies between plant species. Inhibition of radicle 

elongation,  tested  by  solution  cultures,  has  been  reported  for  turnip,  cabbage 

and  collard  greens  at  solution  concentrations  between  2.5  and  3.0  mg  V  L

-1

 



(Carlson  et  al.,  1991;  Kaplan  et  al.,  1990b).  However,  no  decrease  in  radicle 

elongation of wheat was observed at vanadium concentrations up to 40 mg V 

L

-1

, at which concentration millet even showed a stimulatory effect (Carlson et 



al., 1991). In a recent study, five different plant species  grown in an artificial 

soil with different nutrient additions showed a 50% reduction in plant biomass 

at soil vanadium concentrations ranging from 21 to 180 mg V kg

-1

 soil (Smith 



et al., 2013).  

As for other metals, soil type is important for vanadium bioavailability. For 

example, no toxic effects were observed in a study on collard greens grown on 

a loamy sandy soil at vanadium concentrations of 100 mg kg

-1

, whereas collard 



green  biomass  was  reduced  at  80  mg  V  kg

-1

  when  grown  on  a  sandy  soil 



(Kaplan et al., 1990b). In a pot experiment with soybean seedlings, vanadium 

concentrations of 30 mg kg

-1

 soil were toxic in a Fluvaquent but concentrations 



of 75 mg V kg

-1

 soil showed no negative effects on the seedlings in an Oxisol 



(Wang & Liu, 1999). The differences in toxicity were attributed to the differing 

vanadium sorption capacity of the soils. 




Yüklə 456,72 Kb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©www.genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə