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

 
2.3.3.3.2.5  Intracellular metal immobilization  
Many  metallic  elements  (e.g.  Cu,  Zn  and  Co)  are  essential  for  microbial  life,  but  if  their 
concentrations  exceed  the  toxicity  thresholds,  these  compounds  may  become  deleterious 
(Gadd,  2010).  Nevertheless,  some  survival  mechanisms  enable  microorganisms  to  acquire 
metal-binding abilities by cell walls or other structural components,  e.g. production of metal 
binding peptides, organic and inorganic precipitation, active transport, efflux and intracellular 
compartmentalization  and  accumulation  (Gadd,  2010).  The  metal  resistance  of 
microorganisms  is  associated  with  the  genetics  of  the  cell.  For  example,  bacterial  plasmids 
code for resistance to elevated concentrations of metallic elements (Gadd, 2010). The sorption 
behaviour  of  microorganisms  depends  on  the  cell  wall  construction.  It  was  noted  that  gram 
positive/negative bacteria show different sorption abilities (Kim & Gadd, 2008). The anionic 
charge  of  the  carboxyl  groups  of  peptidoglycan  determines  the  binding  abilities  of  Gram-
positive  bacteria,  whereas  phosphate  groups  are  the  binding  sites  of  Gram-negative  cells 
(White et al., 1995; Gadd, 2010; Fomina & Gadd, 2014).  
One of the processes  ensuring regulation  of the  intracellular metallic  concentration is efflux 
transport.  If  metal  is  recognized  as  toxic  or  its  concentration  is  too  high,  then  transport 
processes  are  activated  to  decrease  the  intracellular  metal  concentration.  However,  if  the 
efflux  transport  is  not  sufficient  to  protect  the  cell,  then  metals  may  be  sequestrated  in  the 
cytosol (Haferburg, 2007). Another defensive property is chelation of metals outside the cell 
that  prevents  sorption  onto  the  bacterial  cell.  For  example,  secondary  metabolites  such  as 
melanin  containing  anionic  groups  (e.g.  carboxyl  or  hydroxyl)  that  determine  the  cation 
chelating properties preventing transport of metals into the cell (Haferburg, 2007). However, 

---

CHAPTER 2: COPPER METALLURGICLA SLAGS- CURRENT KNOWLEDGE AND FATE:  
A REVIEW
 
 
36 
 
synthesis of peptides and proteins such as metallothioneins with metal binding properties may 
also contribute to intracellular chelation (Gadd, 2010).  
Various  aspects  of  mineral-microbial  interactions  may  also  suggest  significant  contributions 
of  these  organisms  to  the  weathering  of  slags  disposed  in  the  environment.  Participation  of 
microorganisms  in  the weathering process  may  mobilize metallic elements,  but  on the other 
hand  mechanisms  of  metal  immobilization  are  also  significant.  Therefore,  the  issue  of 
bioweathering has gained significant interests over the last several years (Yin et al., 2014; van 
Hullebusch et al., 2015). 
Gathering  all  the  weathering  factors  (physico-chemical  and  biological)  together,  it  may  be 
concluded  that  the  most  influential  ones  are  firstly,  slag  exposure  (e.g.  particle  size,  surface 
area)  to  actions  of  weathering  agents.  Secondly,  susceptibility  of  mineral  phases  hosting 
metals to weathering and acidity of the environment that strongly enhances the mobilization 
process.  Additionally,  the  process  is  governed  by  the  frequency  and  intensity  of  weathering 
factors and may be accelerated when one damaging factor is  accompanied by another factor 
playing  a  destructive  role  on  the  slag.  Therefore,  differentiation  of  factors  which  contribute 
the  most  is  very  relative  and  may  vary  for  individual  slags  with  different  geochemical 
characteristics.