background image

Physical chemistry of 

bacterial leaching

Lecture no.3

background image

Cell adhesion

• Adhesion of microorganisms to the 

mineral surface is ever present in the 

natural environment.

• Microbial adhesion occurs and is 

detrimental in wide range of areas 

such as:

Biocorrosion
Biofouling
Bioleaching

background image

Bacteria attachment

• The attachment of bacteria to the 

mineral surface is affected by 
hydrophobic and electrostatic 
parameters.

• The 

surface chemistry

 of bacteria 

attachment.

• The colonization of a surface by 

bacteria is occurring in four distinct 
steps

background image

Steps in the colonization of 

the mineral surface

background image

Theory of adhesion

background image

The contact angle

The adhesion of bacteria to the polystyrene

surface was strongly 

correlated with the contact angle

background image

Young equation

Thomas Young proposed the equation 
for a drop of liquid placed on a solid 
surface

background image

Surface energy

1.Fowkes pioneered the surface component 

approach He divided the total surface energy 

in 2 parts.  

d

 + 

p

– dispersive part (Londona- van der Waalsa)

p

- non-dispersive part – polar part

2. Van Oss and Good diveted polar component of 

surface energy into electron accepting (

 +

)

 

and

 

electro-donating (

 

-

) parameters.

VdW

 + 

AB

AB

 = 2√

+

-

background image

Surface energy and 

hydrophobicity

Contact angle Hydrophobicit

y

Surface 

energy

0

- 90

0

hydrophilic

High

(up to 100 mJ)

90

- 180

0

hydrophobic

low

(10- 30mJ)

background image

Bacteria cell as colloid 

particle

• Bacteria in solution have been 

frequently described as colloidal 
suspension.

• The colloid particles interaction is the 

combination of attraction and repulsion 
forces.

• Attraction force

 – van der Waals force

• Repulsion force

 – electrostatic force

background image

Van der Waals force

• Van der Waals force is responsible for 

long-range 

attractive forces

 between 

colloid particles and between colloid 

particle and the surface.

• Hydrophobicity arises when the 

magnitude of van der Waals 

interaction between water molecules 

is greater

 than the interactions of the 

water molecules and the surface.

background image

Attraction energy

• The 

attraction energy V

A

 arising from the van 

der Waals force between colloidal particles of 

radius r and separated by a distance H, is 

given:

where: A

123

 is the Hamaker constant  of the 

system.
The Hamaker constant can be calculated from 

contact angle by a method outlined by Fowkes 

H

r

A

V

A

6

132

background image

Interaction energy curve

background image

Electrostatic force

• The electrostatic forces are generally 

repulsive in bacteria surface 
interaction.

• The electrostatic forces arise 

because both the colloid particles 
and surface are charged. 

background image

Double electric layer

background image

Schematic diagram of the 

electric double layer

background image

Surface potential of e.d.l.

The surface 
potential of e.d.l 
cannot be directly 
measured

The zeta potential 
represents the 
potential between 
the plane of shear 
and the bulk 
solution.

background image

Theory of D.L.V.O.

(Derjaguin, Landau, Verwey, 

Ovrbeek)

• The total interaction energy is presented 

as a function of the distance of separation.

• Total interaction energy is given by:

V

TOT

 = V

A

 + V

E

 + A

AB

• Initial bacterial adhesion can be described 

by the DLVO theory in which adhesion is 

predicted as interplay of Lifshitz-van der 

Waals interaction, electrostatic 

interactions and Lewis acid –base 

interactions.

background image

DLVO theory curves

background image

Bacterial adhesion to solid 

surfaces – disjoining pressure

The interplay between electrostatic forces and attractive van der 
Waals surface forces and the charge of the bacterium cell determines 
the minimum approach distance (position of the energy barrier/well).
Most bacteria in soils are negatively charged (otherwise, immobile).

background image

Electrokinetic behavior of bacteria 

cells

• Zeta potential of unadapted and 

adapted A. ferrooxidans cells were 
determined using a Zeta-meter.

• The tests were carried out at 22

0

under the required pH.

• Bacteria cells were dispersed in 10

-2

 M 

KCl,

• The cell concentration was 3 x 10

8

 

cells/ml

background image

Zeta potential

(a) pyrite, (b) chalcopyrite-after interaction 

with

 A. ferrooxidans

Square-mineral alone

Circle-mineral interacted with ferrous grown cells

Triangle-mineral interacted with sulfur grow cells

background image

Adhesion of bacteria cells

pokrycie, %

kąt zwilżania, 

potencjał

dzeta, mV

100

75

50

25

0

60

40

20

-30

-20

-10

0

The relationship between the contact angel of the 
bacterial cell and zeta potential. Results for adhesion of 
bacteria

background image

Adhesion of Bacillus suptilis onto the 

calcite surface

background image

Biofilm (EPS)

• Most bacteria grow attached to 

mineral surface in form of a biofilm.

• Bacterial attachment predominantly 

is mediated by EPS (biopolymers), 
which surround the bacterial cells.

• Bacteria  are able to adapt their EPS 

(biopolymer) according to the solid 
surface.

background image

Attachment side

• AFM imges demonstrate that cells of 

A.ferrooxidans preferentially attach 
to sites with visible surface 
imperfections.

background image

A

tomic 

F

orce 

M

icroscope

background image

Atomic Force Microscope 

(AFM)

background image

AFM image

background image

AFM image

Pyrite surface after 24 h of incubation with A. 
ferrooxidans

Cells attached preferentially to the sites with surface 
defects

background image

AFM-imige of cells of Leptospirillum 

ferrooxidans attached to pyrite after 

24h of incubation

background image

Cell of A.ferrooxidans attached to 

the pyrite surface

Electron coming from pyrite to the iron(III) complex at 
EPS and iron(III) is reduced to iron(II).

background image

Adhesion of A.ferrooxidans 

cells onto the mineral surface

red-pyrite; blue-chalcopyrite; green-sphalerite; 
yellow-galena; 
yellow cross-quartz

A-strain R-1  and   B-strain SPm/3

background image

Summary

• The cells of leaching bacteria are 

attracted to the mineral surface by 
van der Waals force.

• EPS generate microenvironment for 

bacteria cells attached to the mineral 
surface


Document Outline