Mechanism of bacterial 

oxidation

Lecture # 4

Direct and indirect 

mechanisms

• Direct bioleaching

 mechanism is 

the direct enzymatic oxidation of 

sulfide minerals.

• The 

indirect mechanism

 is the non-

enzymatic metal sulfide oxidation by 

iron(III) (Fe

3+

 ions) combined with the 

enzymatic oxidation of the resulting 

iron(II) (Fe

2+ 

ions) ions.

Fe

2

+

Fe

3+

Microoragnis
ms

MeS

(a)Indirect bioleaching

„Non-contact”

(b) Direct bioleaching

„Contact”

 

Me S

„Contact” and „non-contact” 

mechanisms”

Mechanisms of sulfides 

dissolution

• Two different reaction mechanisms 

control the dissolution of metal sulfides:

The 

thiosulfate

 pathway

The 

polysulfide

 pathway

Generally, leaching is achieved by 
a combination of proton attack and 
oxidation processes.

Thiosulfate pathway

Acid-nonsoluble metal 

sulfides

• Metal sulfides such as pyrite (FeS

2

),  

molibdenite (MoS

2

) and tungstenite 

(WS

2

) are oxidized via electron 

extraction by iron(III) ions.

First step

: Thiosulfate is liberated

 

Second step

: Free thiosulfate is 

oxidized via tetrathionate

Third step

: Finally polythionates is 

oxidized to sulfate

Acid-soluble metal sulfides

• Metal sulfides such as sphalerite (ZnS), 

galena (PbS),arsenopyrite (FeAsS), 
chalcopyrite (CuFeS

2

) and hauerite 

(MnS) are dissolved by the combined 
action of electron extraction and proton 
attack. 

• First step

: sulfide cation (H

2

S

+

) 

formation.

• Second step

: dimeriza to disulfide (H

2

S

2

)

Jarosite precipitation

• 3Fe

3+

 + 2SO

42-

+6H

2

O+ Me=

MeFe

3

(SO

4

)

2

 

(OH)

6

+6H

+

Me= Na, K, NH

4+

Jarosite crystals

Sulfur precipitation

The significant 
amounts of 
elemental sulfur 
(10-20%) may be 
produced in the 
absence of 
sulfur-oxidizing 
bacteria.

Mechanisms of 

bioleaching

Sulfide

mineral

Direct 
bioleaching

Indirect 
bioleaching

Sulfur layer

Jarosite layer

Indirect 
bioleaching

Bacteria

Indirect 
bioleaching

Electrochemical mechanism of 

bioleaching 

S

0

Fe

3+

SO

4

2-

Fe

2+

e

-

FeS

2

CuFeS

2

H

2

O

O

2

, H

+

Cu

2+

H

2

O

A.ferrooxidans
A.ferrooxidans

A.thiooxidans

O

2

, H

+

e

-

Electrochemical mechanism

Dissolution occurs at local anodes.

The local anodes are the sites where 
the cell is chmotactically attracted. 

E

xtracellular 

P

olymeric 

S

ubstances

• Most leaching bacteria grow attached 

to surfaces of sulfide minerals.

• More than 80% of microorganism cell 

disappeared from solution within 24 h.

• The attachment process is 

predominantly controlled by the 
extracellular polymeric substances 
(EPS), surrounding the cells.

EPS and biofilm

• The space between the cell wall and the 

surface is filled with bacterial 

extracellular polymeric substances 

(EPS).

• Biofilm formation is important 

mechanism of bioleaching minerals.

• The bacteria are able to adapt the 

composition and amount of their EPS 

according to leaching conditions.

Biofilm formation

Biofilm observation 

The flow cell consisted of a rectangular chamber. The 
dimensions of chamber were 40mm long,12mm wide and 
0.5 mm deep. The coupon of pyrite was 20mm by 5 mm 
wide. The flow rate was 30 ml/min.

Dissolution process

• Atomic force microscope (AFM) images 

demonstrate that cells of 

Acidithiobacillus ferrooxidans 

preferentially (>80%) attach to the 

sites with visible surface imperfections.

• The cells are attracted to dissolution 

sites by their chemotactic sensory 

system and determine the anodes and 

cathodes on the metal sulfide surface.

Dissolution process

• The dissolution process occurs in the 

EPS layer.

• The distance between the mineral 

surface and microbial cell is 10 – 100 
nm.

• The chemical reactions occur outside 

the cells but still within the EPS layer 
generated by microorganism.

Heap bioleaching

Bacteria oxidation 

mechanism

(A)

(B)