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

Preface to Chapter 5 
 
Chapter 4 presented a detailed characterization of Cu-slags that is recommended study stage prior to 
environmental  risk  assessment.  According  to  the  collected  data,  slags  exhibit  different  chemical  and 
mineralogical  compositions  which  results  in  their  various  behavior  at  pH-stat  conditions.  Thus,  an 
assumption  about  various  environmental  behaviors  of  these  slags  and  potentially  high  metal  release 
can  be  speculated.  However,  a  deeper  study  reflecting  conditions  closely  simulating  environmental 
situation that might be encountered in reality is needed to confirm the given hypothesis. Even though 
modern  slags  are  not  disposed,  there  are  many  places  across  the  world  where  slags  owing  similar 
compositions have been disposed in the past. For this reason, next stages of the work consider these 
slags as model samples rather than real scenario that they may be exposed to. The study considering 
behavior  of  these  slags  is  nonetheless  relevant  for  the  improvement  of  general  knowledge  about 
alteration of mineral phases that Cu-slags are composed of. In contrast, environmental studies devoted 
to  stability  of  historical  slag  represent  the  situation  that  may  go  on  in  the  disposal  site  where  these 
slags have been left unattended by long period of time. 
It  is  worth  to  point  out  that  former  dumping  sites  are  characterized  by  no  or  very  poor  prevention 
against  weathering  and  consequently  these  processes  are  scarcely  preventable.  Slags  are  especially 
exposed  to  interact  with  soil  and  in  turn  surrounding  soil  is  also  endangered  to  chemical  changes 
brought  by  metals  input  of  slags  weathering.  However,  complexity  and  number  of  factors  and 
variables  that  play  a  role  on  this  scale  is  large.  First  of  all,  different  soils  display  various  chemical 
compositions,  hence  the  weathering  scenario  might  vary  from  one  dumping  site  to  another.  For  this 
reason  designing  the  experimental  set-up  that  could  represent  global  problem  is  difficult.  The  next 
stage  of  work  will  consider  therefore  general  effect  of  common  soil  components  such  as  humic  and 
fulvic acids and other organics related to root exudation. In spite of wide range of concentrations of 
these organics found in different soils, the question of how do they affect slags stability remains to be 
answered.  In  these  regards,  previously  characterized  Cu-slags  will  be  subjected  to  preliminary  risk 
assessment  through  simulating  soil  weathering  scenario.  The  study  will  especially  be  focused  on 
mobilization of metals such as Cu, Zn and Pb as well as alteration of mineral phases present in slags. 
More detailed information concerning interactions of organic acids with slags and justification of their 
choice might be found in the introduction section of Chapter 5.  
Preceding  next  chapter  it  is  also  worth  to  give  a  more  extended  explanation  of  why  is  evaluation of 
metals release so much relevant for environmental research? 
The  importance  of  studies  considering  metal  release  into  the  environment  lies  in  toxicity  effect  that 
metals can cause on various members of food chain. Abnormal excessive concentrations of metals are 
usually  the  result  of  anthropogenic  input  into  the  environment.  As  the  result  of  intensification  of 
industrial  activity  the  concentrations  of  metals  in  soils  are  currently  even  by  1000  fold  higher  as 
compared  to  soils  with  natural  metal  content  (Faucon  et  al.,  2012).  The  presence  of  metals  in  water 
column  is  usually  lower  due  to  on-going  natural  purification  processes  such  as  complexation, 
precipitation and adsorption, where sediments play a crucial sinking role (Flemming & Trevors, 1989).  
The toxic concentration refers to metal whose load exceeds metabolic requirement of living organism 
(Giller  et  al.,  1998).  Among  the  metals  of  interest  Cu  and  Zn  are  essential,  whereas  Pb  is  prime

---

PREFACE TO CHAPTER 5
 
 
133 
 
example of metal lacking any biological function (Emamverdian et al., 2015). Metal toxicity depends 
not only on its total concentration, but also on bioavailability which is governed by species that metal 
forms.  The  most  available  forms  of  metals  are  (in  decreasing  order):  cationic  form,  inorganic 
complexes (e.g. SO
4
2-
, Cl
-
, CO
3
2-
) and organic complexes. Likewise, metal mobility in the environment 
is also driven by its speciation. Dissolved forms of metals exhibit high mobility; those associated with 
organic  matter  are classified  as  moderately  mobile,  but  might  become  highly  mobile  in  the  result  of 
decomposition or oxidation of organic matter (John & Leventhal, 1995). The least available metals are 
those  associated  with  crystalline  mineral  phases,  however  might  turn  into  mobile  form  after  release 
from weathered mineral (John & Leventhal, 1995). Furthermore, surrounding conditions are important 
variables affecting behavior and toxicity of metal. For example, pH declination favors occurrence of 
metal in cationic form, hence increases its toxicity (Wang et al., 2016). 
The occurrence of metals at toxic levels might lead to undesirable effect to organisms. For  example, 
when  microorganisms  exposed to  high  metal  concentrations,  their  activity  might  decrease  disturbing 
environmental  balance.  Detrimental effects  on  plants might  result  in  changes  of metabolic  processes 
such as: respiration, photosynthesis, CO
2
 fixation and gas exchange (Hossain et al., 2012). However, 
organisms are capable to survive even at critical concentrations levels due to adaptation mechanisms 
that  enable  them  to  overcome  the  problem  of  metal  excess  and  toxicity.  Beginning  from  the  very 
micro  scale  of  intake,  defensive  mechanisms  utilized  by  microorganisms  include:  biomethylation, 
complexation,  activation  of  efflux  pump,  binding  on  cell  surface  or  metal  removal  via  precipitation 
(Chapter 2). When the metal content in the plant tissue reaches critical level, different counteracting 
mechanisms  are  activated.  The  latter  evolve:  intracellular  vacuolar  sequestration,  excretion  of 
intracellular  detoxification enzymes  such  as  metallothionein  or  phytochelatins,  symbiotic association 
with fungi (Emamverdian et al., 2015). The tolerance to metals rises along food chain. For example, 
Cu  tolerance of  mammals  is  even  up  to  100 fold  greater  as  compared to fish  or  1000-fold  higher  as 
compared to algae (Flemming & Trevors, 1989). Furthermore, accumulation of metals at any level of 
food chain carries the risk of acquisition by higher organisms that can consequently result in human 
(e.g. dietary) intake and undesirable chronic effects.  
Metals  play  an  important  role  in  geochemical  and  biological  cycles,  however  their  critical 
concentrations might lead to undesirable consequences. For this reason, estimating different industrial 
and  anthropogenic  metal  inputs  into  the  environment  are  needed  for  predicting  their  detrimental 
impacts.