NC State spiller en afgørende rolle i forvaltningen af den globale landbrugsindustri

Udgivelsesdato: 14. juni 2022

RALEIGH – Fosfor er essentielt for alt levende, en af byggestenene i DNA og cellers energivaluta...

Fødevareforsyninger er afhængige af fosforgødning, men deres anvendelse er ineffektiv og uholdbar: Ikke-fornyelige fosfataflejringer udvindes, og kun 20% af fosforen, der bruges i fødevaresystemet, når den menneskelige kost.

En betydelig del af fosforen siver ned i jord og ferskvand og bliver til en forurening, der dræber dyr, vokser algeopblomstring og udvider kystnære døde zoner. Ude af balance kan dette vitale element afslutte livet.

Det Videnskab og teknologier til fosforbæredygtighed (STEPS) Center arbejder på at opdage og udvikle måder at genanvende fosfor, gøre vores fødevaresystem mere effektivt og beskytte miljøet mod affald. STEPS Center var med hovedkvarter i NC State og tildelt af National Science Foundation lanceret i oktober 2021 efter fire års forberedelse. Det bidrager allerede til global forståelse om fosfor-bæredygtighed.

"Det har været meget engagerende og tilfredsstillende, fordi vi havde denne vision for STEPS, og nu er vi i gang med implementeringen," sagde Ross Sozzani, centrets vicedirektør og en NC State University Faculty Scholar og professor i plante- og mikrobiologisk biologi. "Det er spændende at se tingene falde på plads."

UDFORSK STEPS CENTER
STEPS-centret har hovedkvarter i NC State og består af flere institutioner, der skal studere bæredygtige løsninger til fosforforbrug.

Ledet af NC State og baseret på Centennial Campus omfatter STEPS otte yderligere institutioner over hele landet: Appalachian State University, Arizona State University, Marquette University, North Carolina A&T State University, RTI International, University of Florida, University of Illinois i Urbana -Champaign og University of North Carolina i Greensboro. Centret blev præmieret under COVID-19-pandemien, midt i efterårssemesteret og før byggeriet af dets hjemmebase, Plant Sciences Building, blev afsluttet.

"Vi landede et af de mest prestigefyldte centre, som National Science Foundation tildeler under virkelig vanskelige forhold," sagde Jacob Jones, STEPS Centers direktør og en Kobe Steel Distinguished Professor of Materials Science and Engineering ved NC State. “Men teamets engagement og samarbejde ved lanceringen af centret har overgået mine forventninger. Vi har folk, der interagerer med centret fysisk og virtuelt. Efter at have arbejdet med dette i fire år, har det været ret spændende.”

Fordi fosforbæredygtighed er et komplekst spørgsmål, er STEPS afhængig af mangfoldighed i både færdigheder og fag. Centrets forskning fokuserer på undersøgende, brugsinspireret grundforskning, der spænder fra molekylær- og materialeskalaen til, hvordan mennesker interagerer med teknologi til de globale økonomiske og sociale virkninger af fosfor-bæredygtighed.

Et af centrets fokusområder er konvergensinformatik, som involverer at tage en betydelig mængde information, sammensmelte forskellige datasæt og bruge maskinlæringsalgoritmer til at informere om de næste trin i forskningen. Konvergensinformatik bruger datavidenskab til at vurdere og forudsige nye materialer, teknologier og strategier. Hos STEPS bruger forskere disse strategier til at studere fosforopsamling samt nedbrydning og modifikation af fosforforbindelser. Centret skal skabe og formidle ny viden om fosfors bæredygtighed.

"Målet er ikke at skabe og implementere enestående teknologiløsninger," sagde Jones. "Vi ønsker at skabe en række grundlæggende opdagelser og udviklinger, der hjælper hele det fosforvidenskabelige samfund med at komme videre."

Centret har en driftstid på fem år med mulighed for at forny det med yderligere fem år. Eksterne partnerskaber er særligt vigtige, så centret kan fortsætte med at gøre opdagelser, selv efter tildelingen slutter.

"Vi opdager ny viden om fosfor-bæredygtighed nu, og det vil vi gøre i år 10," sagde Jones.

FORSKNING OVER EMNER OG SKALAER

Inden for 25 år håber STEPS at hjælpe med at reducere menneskets afhængighed af udvundet fosfater med 25% og reducere tabet af punkt- og ikke-punktkilder til fosfor til jord og vandressourcer med 25%.

Tre temaer danner grundlag for TRIN: materialeskala, menneskelig teknologiskala og regional og global skala. Specifikke områder omfatter, men er på ingen måde begrænset til, kemi, fysik, dyrevidenskab, bioteknik, økologi, sociologi og offentlig politik.

"Vores forskere udfører forskelligartet arbejde - de sidder ved mikroskoper og ser på partikler, går til spildevandsbehandlingsanlæg for at indsamle prøver, bruger våde kemiske laboratorier til at syntetisere nye materialer, simulerer biologiske molekyler ved hjælp af beregningsteknikker og undersøger rumlige kort over, hvordan fosfor er distribueret over hele USA - bare som et par eksempler," sagde Sozzani.

Vi ønsker at skabe en række grundlæggende opdagelser og udviklinger, der hjælper hele det fosforvidenskabelige samfund med at komme videre.

Centrets første forskningstema, på materialeskalaen, er at opdage og udvikle nye uorganiske, organiske og bio-inspirerede materialer til at frigøre, indfange og genvinde fosfor og fosforholdige arter fra både væsker og faste stoffer. Eksempler på aktuelle forskningsprojekter omfatter de kemiske og biologiske omdannelser af ikke-reaktivt fosfor, genvinding af fosfor ved hjælp af positivt ladede ioner og fremme af fosforanalyse.

Det andet forskningstema, på menneskelig teknologiskala, evaluerer levedygtigheden af teknologier til genvinding af fosfor fra komplekse affaldsstrømme, optimerer jordegenskaber og forbedrer biotilgængeligheden af genvundne fosfater. Igangværende forskningsprojekter omfatter udvikling af nye fosforforbindelser til en bæredygtig gødning, undersøgelse af genetiske mekanismer i plantefosfor og kontrol af arvefosfor i jord.

Det tredje forskningstema, på regional og global skala, er at bruge en tilgang på systemniveau til at evaluere, hvordan menneskelig indgriben, politikintervention og teknologivedtagelse kan påvirke fosfor-bæredygtighed på forskellige skalaer under forskellige alternative socioøkonomiske, politiske og miljømæssige forandringsscenarier. Nogle aktuelle forskningsprojekter involverer oprettelse af et nationalt fosforbudget og -kort, etablering af basisdata og værktøjer for at simulere fosforstrømme og evaluering af interessenters opfattelser og behov inden for forskning i fosforbæredygtighed.

DIVERSITET I TANKE OG HANDLING

At finde løsninger på et så komplekst problem kræver samarbejde mellem forskere inden for forskellige felter og med forskellig baggrund. Konvergensinformatik og de tre forskningstemaer fremhæver centrets engagement i tværfaglig forskning. Selv dens hjemmebase, Plant Sciences Building, fremmer en kultur af tværfaglighed.

"Plant Sciences-bygningen giver os mulighed for at samle en masse fakulteter, studerende og post-docs på en central placering og giver plads til et meget stort og komplekst projekt," sagde Jones. Og det er gavnligt at være i et hjem med andre tværfaglige projekter. ”Alle i bygningen kan lære af vores erfaringer. Ligeledes kan vi lære af de andre projekter i bygningen.”

"At forbinde flere discipliner er en vital del af NC State's forskningsvirksomhed," sagde Genevieve Garland, associeret vicekansler for forskningsoperationer og kommunikation og Office of Research and Innovation's stabschef. Garland leder kontorets tværfaglige forskningsenhed. "Vores forskere samler forskellige færdigheder og ekspertise for at løse problemer på en virkelig dynamisk måde. Ved at fremme tværfaglige initiativer skaber NC State holistiske, omfattende løsninger på indviklede globale problemer."

Ud over forskningsprojekter og emner har STEPS et ambitiøst mål i mangfoldighed: Dets udvidede deltagelsesmål er at have mere end 50% af involverede personer fra underrepræsenterede grupper. Mangfoldighed af kultur, perspektiv og erfaring fører til original, innovativ forskning. Dette mål kræver udnyttelse af alt det, NC State har at tilbyde i form af rekruttering af kandidater, opsøgende kontakt til undertjente samfund og tilpasningen af STEPS Centers og NC States visioner om mangfoldighed.

"Universitetet tror virkelig på mangfoldighed og tværfaglighed, og dette er et fantastisk partnerskab mellem STEPS og NC State," sagde Jones. "Vi har dette udvidede deltagelsesmål, fordi vi ved, at det at bringe forskellige erfaringer og perspektiver fremmer innovation."

I mindst fire år mere vil STEPS fortsætte med at fremme diversitet, anvende konvergensforskning og fremme fosforbæredygtighed. På den måde vil centret forberede eleverne til at arbejde med komplekse, tværfaglige problemer og opdage grundlæggende viden for at skabe et sikrere, sundere miljø for alle.

Original artikelkilde: WRAL