Copper metallurgical slags: mineralogy, bio/weathering processes and metal bioleaching

6.4.4  Bacterially mediated weathering  
Iron is an essential nutrient for bacterial growth due to its importance in enzymatic reactions 
(Poole  &  McKay,  2003;  Braud  et  al.,  2010).  Pseudomonas  aeruginosa  applied  to  our 
experiments  was  intentionally  imposed  to  iron-poor  conditions  with  an  assumption  that  this 
bacterium  will  be  able  to  acquire  this  element  from  slags.  Bacteria  were  able  to  obtain  Fe 
contained  in  both  CS  and  GS  slags  as  bacterial  growth  rates  in  the  presence  of  slag  were 
enhanced compared to the growth medium without slags (Figure 6.1). Therefore, our findings 
clearly  showed  that  slag  provides  nutrients  (e.g.  Fe,  Ca,  Mg  and  microelements)  that  are 
present  in  growth  medium  in  insufficient  concentration  for  bacterial  proliferation.  This 
observation is congruent with previous studies demonstrating greater growth rates of bacteria 
in the solutions supplemented with metallurgical slags or glass (Aouad et al., 2006; Yin et al., 
2014).  Bacterially  mediated  iron  solubilization  could  be  facilitated  by  the  production  of 
pyoverdine-like  compounds  as  suggested  by  qualitative  analysis  (Figure  6.5).  This 
siderophore is known to be produced when iron accessibility is limited, thereby exposing the 
bacteria to nutrient-stress conditions (Dumas et al., 2013).  
Furthermore,  results  provide  evidence  that  some  quantities  (3-77%)  of  released  elements 
could be either taken up by a biofilm and/or associated metabolites or precipitated as proven 
by  differences  between  the  GMB  total  and  GMB  <0.22  µm  (Figures  6.10  B1  and  B2). 
Microbial ability towards element uptake occurs through biosorption/bioaccumulation or EPS 
binding (e.g. Mullen et al., 1989; Vecchio et al., 1998; Gadd, 2000). Both, bacterial cell walls 
and  extracellular  polymers  provide  binding  sites  due  to  the  presence  of  negatively  charged 
functional groups (Fein, 2006; Guibaud et al., 2009; Pal & Paul, 2008; D’Abzac et al., 2013; 
Tourney  &  Ngwenya,  2014;  van  Hullebusch  et  al.,  2015).  Total  concentrations  of  elements 
were  increased  at  least  by  3%  up  to  77%  with  respect  to  dissolved  concentrations  (Figure 
6.10).  
No  significant  bacterial  uptake  of  Cu  and  Pb  could  be  observed,  while  bacteria  exhibited  a 
remarkable contribution toward Zn associated to the fraction >0.22 µm. For example, the high 
uptake of Zn could refer to the surface charge of bacterial cells that becomes more negative 
when pH values increase (Chang et al., 1997) and would suggest a greater biomass affinity for 
this element. This pattern may also be attributed to the pH of the solution. Kazy et al. (1999) 
demonstrated  lower  Cu  uptake  by  Pseudomonas  aeruginosa  at  pHs  of  8-9  compared  to  the 
efficiency at slightly lower pHs (6-7). Likewise, Pérez Silva et al. (2009) revealed decreased 
biosorption of Cu for pH increases from 6.25 up to 7. Moreover, predominant Zn biosorption 
over  Cu  at  a  pH  higher  than  6.25  has  been  demonstrated  (Pérez  Silva  et  al.,  2009). 
Furthermore, stability constants of siderophore complexes with Cu (Chen et al., 1994; Farkas 
et al., 1997; Enyedy et al., 2004) and Pb (Hernlem et al., 1996; Farkas et al., 2008) are higher 
compared to those of Zn (Schijf et al., 2015). That could overcome toxicity effects through Cu 
and  Pb  complexation,  consequently  reducing  its  uptake  by  biofilm  (Braud  et  al.,  2010).  As 

---

CHAPTER 6: BACTERIALLY MEDIATED WEATHERING OF CRYSTALLINE AND AMORPHOUS Cu-SLAGS
 
191 
 
shown  by  Braud  et  al.  (2010),  Cu  uptake  could  be  diminished  by  up  to  85%,  when 
siderophore was produced. Furthermore, a greater uptake ability of Pseudomonas aeruginosa 
toward Zn respective to Pb has been shown under bio-weathering conditions (van Hullebusch 
et al., 2015). Moreover, as reported by Stewart et al. (2015) Pb sequestration on Fe and Mn 
oxides  might  dominate  over  EPS  sorption  resulting  in  the  absence  of  toxic  effect  of  Pb  on 
microbial communities (Stewart et al., 2015).