Plant-derived biochars exhibit large physicochemical heterogeneity due to variations in biomass chemistry and combustion conditions. However, the influence of biochar heterogeneity on biochar-metal interaction mechanisms has not been systematically described. We used flow adsorption microcalorimetry to study structure-sorption relationships between twelve plant-derived biochars and two metals (K+ and Cd2+) of different Lewis acidity. Irrespective of the biochar structure, sorption of K+ (a hard Lewis acid) occurred predominantly on deprotonated functional groups via ion exchange with molar heats of adsorption (ΔHads) of −4 kJ mol–1 to −8 kJ mol–1. By comparison, although ion exchange could not be completely ruled out, our data pointed to Cd2+ (a soft Lewis acid) sorption occurring predominantly via two distinct cation-π bonding mechanisms, each with ΔHads of +17 kJ mol–1. The first, evident in low charge-low carbonized biochars, suggested Cd2+-π bonding to soft ligands such as -C═O; while the second, evident in low charge-highly carbonized biochars, pointed to Cd2+-π bonding with electron-rich domains on aromatic structures. Quantitative contributions of these mechanisms to Cd2+ sorption can exceed 3 times that expected for ion exchange and therefore could have significant implications for the biogeochemical cycling of metals in fire-impacted or biochar-amended systems.

The ability of engineered black carbons (or biochars) to resist abiotic and, or biotic degradation (herein referred to as recalcitrance) is crucial to their successful deployment as a soil carbon sequestration strategy. A new recalcitrance index, the R(50), for assessing biochar quality for carbon sequestration is proposed. The R(50) is based on the relative thermal stability of a given biochar to that of graphite and was developed and evaluated with a variety of biochars (n = 59), and soot-like black carbons. Comparison of R(50), with biochar physicochemical properties and biochar-C mineralization revealed the existence of a quantifiable relationship between R(50) and biochar recalcitrance. As presented here, the R(50) is immediately applicable to pre-land application screening of biochars into Class A (R(50) ≥ 0.70), Class B (0.50 ≤ R(50) < 0.70) or Class C (R(50) < 0.50) recalcitrance/carbon sequestration classes. Class A and Class C biochars would have carbon sequestration potential comparable to soot/graphite and uncharred plant biomass, respectively, whereas Class B biochars would have intermediate carbon sequestration potential. We believe that the coupling of the R(50), to an index-based degradation, and an economic model could provide a suitable framework in which to comprehensively assess soil carbon sequestration in biochars.

Ultrahigh resolution mass spectrometry, such as Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT ICR MS), can resolve thousands of molecular ions in complex organic matrices. A Compound Identification Algorithm (CIA) was previously developed for automated elemental formula assignment for natural organic matter (NOM). In this work, we describe software Formularity with a user-friendly interface for CIA function and newly developed search function Isotopic Pattern Algorithm (IPA). While CIA assigns elemental formulas for compounds containing C, H, O, N, S, and P, IPA is capable of assigning formulas for compounds containing other elements. We used halogenated organic compounds (HOC), a chemical class that is ubiquitous in nature as well as anthropogenic systems, as an example to demonstrate the capability of Formularity with IPA. A HOC standard mix was used to evaluate the identification confidence of IPA. Tap water and HOC spike in Suwannee River NOM were used to assess HOC identification in complex environmental samples. Strategies for reconciliation of CIA and IPA assignments were discussed. Software and sample databases with documentation are freely available.

Uranium recovery from seawater has been investigated for several decades for the purpose of securing nuclear fuel for energy production. In this study, field column experiments have been performed at the Marine Sciences Laboratory of the Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) using a laboratory-proven, amidoxime-based polymeric adsorbent developed at the Oak Ridge National Laboratory (ORNL). The adsorbent was packed either in in-line filters or in flow-through columns. The maximum amount of uranium uptake from seawater was 3.3 mg of U/g of adsorbent after 8 weeks of contact between the adsorbent and seawater. This uranium adsorption amount was about 3 times higher than the maximum amount achieved in this study by a leading adsorbent developed at the Japan Atomic Energy Agency (JAEA). Both adsorbents were tested under similar conditions. The results were used to update an assessment of the cost of large-scale recovery of uranium from seawater using the ORNL adsorbent. The updated uranium production cost was estimated to be reduced to $610/kg of U, approximately half the cost estimated for the JAEA technology.

Systematically tagging endogenous proteins with fluorescent markers in human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) allows observation of live cell dynamics in different cell states. However, the precise insertion of fluorescent proteins into live cells via CRISPR/Cas9-induced editing relies on homology-directed repair (HDR). The nonhomologous end-joining (NHEJ) DNA repair pathway often outcompetes HDR, resulting in irreversible insertions and deletions (INDELs) and low knock-in efficiency. Recognizing successful HDR-mediated tagging events is an additional challenge when the target gene is not expressed in stem cells and successful tagging cannot be immediately observed. To address these challenges, we used: 1) adeno-associated virus serotype 6 (AAV6) mediated DNA donors at optimized multiplicity of infection (MOI) to deliver tag payloads at maximal efficiency; 2) titrated, multiplexed Cas9:gRNA ribonucleo-protein (RNP) amounts to assure balanced HDR/INDEL frequency among conditions; 3) long-amplicon droplet digital PCR (ddPCR) to measure the frequency of HDR-generated alleles in edited pools; and 4) simultaneous Inference of CRISPR Edits (ICE) to detect and thereby avoid conditions significantly saturated (>50%) with INDELs. These approaches enabled us to identify efficient and accurate editing conditions and recover tagged cells, including cells tagged at loci not expressed in stem cells. Together these steps allowed us to develop an efficient methodology and workflow to clonally isolate directly from an ideal cell pool with optimal HDR and minimized INDEL frequencies. Using this approach, we achieved both monoallelic and biallelic insertion of fluorescent markers into four genes that are turned on during differentiation but not initially expressed in hiPSCs, where direct selection of tagged cells based on fluorescence was impossible: TBR2, TBXT, CDH2 (pro-differentiation and pro-migratory genes), and CDH5 (endothelial specific gene). Through a systematic evaluation of various gRNA sequences and RNP concentrations, we identified conditions for each gene that achieved high HDR frequencies, peaking at 38.6%, while also avoiding conditions saturated with INDELs, where isolation of clones with a tagged allele in trans with an unedited allele is difficult. Over-all, this methodology enhances the efficiency of fluorescent tag knock-in at genes not expressed in hiPSCs, facilitating reliable image-based observation of cellular processes, and enables recovery of accurately edited mono- and biallelically tagged clones. We standardized these approaches to yield an efficient and general workflow for introducing large HDR mediated knock-ins into hiPSCs.