NC State spielt eine entscheidende Rolle bei der Verwaltung der globalen Landwirtschaftsindustrie

Veröffentlichungsdatum: 14. Juni 2022

RALEIGH – Phosphor ist für alle Lebewesen lebensnotwendig und einer der Bausteine der DNA sowie die Energiewährung der Zellen. …

Die Nahrungsmittelversorgung ist auf Phosphordünger angewiesen, doch ihr Einsatz ist ineffizient und nicht nachhaltig: Nicht erneuerbare Phosphatvorkommen werden abgebaut und nur 2015/30 des in der Nahrungsmittelproduktion verwendeten Phosphors gelangen in die menschliche Ernährung.

Ein erheblicher Teil des Phosphors sickert in den Boden und das Süßwasser und wird dort zu einer Schadstoffquelle, die Tiere tötet, Algenblüten entstehen lässt und tote Küstenzonen vergrößert. Aus dem Gleichgewicht geraten kann dieses lebenswichtige Element Leben zerstören.

Der Wissenschaft und Technologien für eine nachhaltige Phosphornutzung (STEPS) Center arbeitet daran, Wege zu finden und zu entwickeln, um Phosphor zu recyceln, unser Nahrungsmittelsystem effizienter zu machen und die Umwelt vor Abfall zu schützen. Das STEPS Center mit Sitz an der NC State und ausgezeichnet von der National Science Foundation wurde Markteinführung im Oktober 2021 nach vierjähriger Vorbereitung. Es trägt bereits zum globalen Verständnis über die Nachhaltigkeit von Phosphor bei.

„Es war sehr spannend und erfüllend, denn wir hatten diese Vision für STEPS und jetzt sind wir dabei, es umzusetzen“, sagte Ross Sozzani, stellvertretender Direktor des Zentrums und NC State University Faculty Scholar sowie Professor für Pflanzen- und Mikrobiologie. „Es ist spannend zu sehen, wie sich alles fügt.“

ENTDECKEN SIE DAS STEPS CENTER
Das STEPS Center mit Hauptsitz an der North Carolina State University besteht aus mehreren Institutionen, die nachhaltige Lösungen für die Phosphornutzung erforschen.

STEPS wird von NC State geleitet und hat seinen Sitz auf dem Centennial Campus. Darüber hinaus sind acht weitere Institutionen im ganzen Land beteiligt: Appalachian State University, Arizona State University, Marquette University, North Carolina A&T State University, RTI International, die University of Florida, die University of Illinois at Urbana-Champaign und die University of North Carolina at Greensboro. Der Auftrag für das Zentrum wurde während der COVID-19-Pandemie vergeben, mitten im Herbstsemester und bevor der Bau seines Heimatstandorts, des Plant Sciences Building, abgeschlossen war.

„Wir haben uns unter wirklich schwierigen Bedingungen eines der renommiertesten Zentren gesichert, die die National Science Foundation vergibt“, sagte Jacob Jones, Direktor des STEPS Center und Kobe Steel Distinguished Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der NC State. „Aber das Engagement und die Zusammenarbeit des Teams bei der Eröffnung des Zentrums haben meine Erwartungen übertroffen. Wir haben Leute, die physisch und virtuell mit dem Zentrum interagieren. Nachdem ich vier Jahre daran gearbeitet habe, war es ziemlich aufregend.“

Da die Nachhaltigkeit von Phosphor ein komplexes Thema ist, setzt STEPS auf die Vielfalt von Fähigkeiten und Themen. Die Forschung des Zentrums konzentriert sich auf explorative, anwendungsorientierte Grundlagenforschung, die von der molekularen und materiellen Ebene über die Interaktion von Mensch und Technologie bis hin zu den globalen wirtschaftlichen und sozialen Auswirkungen der Phosphornachhaltigkeit reicht.

Einer der Schwerpunkte des Zentrums ist die Konvergenzinformatik. Dabei werden große Mengen an Informationen zusammengeführt und verschiedene Datensätze und Algorithmen des maschinellen Lernens verwendet, um die nächsten Schritte in der Forschung zu steuern. Die Konvergenzinformatik nutzt die Datenwissenschaft, um neue Materialien, Technologien und Strategien zu bewerten und vorherzusagen. Bei STEPS verwenden Forscher diese Strategien, um die Phosphorabscheidung sowie die Zersetzung und Veränderung von Phosphorverbindungen zu untersuchen. Das Zentrum wird neues Wissen über die Nachhaltigkeit von Phosphor schaffen und verbreiten.

„Das Ziel ist nicht, einzelne Technologielösungen zu entwickeln und einzusetzen“, sagte Jones. „Wir wollen eine Reihe grundlegender Entdeckungen und Entwicklungen vorantreiben, die der gesamten Phosphor-Wissenschaftsgemeinschaft helfen, voranzukommen.“

Das Zentrum hat eine Laufzeit von fünf Jahren mit der Möglichkeit einer Verlängerung um weitere fünf Jahre. Externe Partnerschaften sind besonders wichtig, damit das Zentrum auch nach Ablauf der Förderung weiterhin Entdeckungen machen kann.

„Wir gewinnen derzeit neue Erkenntnisse zur Nachhaltigkeit von Phosphor und werden dies im zehnten Jahr tun“, sagte Jones.

Fächer- und skalenübergreifende Forschung

Innerhalb von 25 Jahren hofft STEPS, dazu beitragen zu können, die Abhängigkeit der Menschheit von abgebauten Phosphaten bis 25% zu verringern und den Verlust von punktförmigen und diffusen Phosphorquellen in Böden und Wasserressourcen bis 25% zu reduzieren.

STEPS basiert auf drei Themen: Materialebene, Mensch-Technologie-Ebene und regionale und globale Ebene. Zu den spezifischen Bereichen gehören unter anderem Chemie, Physik, Tierwissenschaften, Biotechnik, Ökologie, Soziologie und öffentliche Ordnung.

„Unsere Forscher führen vielfältige Arbeiten durch – sie sitzen an Mikroskopen und untersuchen Partikel, gehen zu Abwasseraufbereitungsanlagen, um Proben zu sammeln, nutzen Nasschemielabore, um neue Materialien zu synthetisieren, simulieren biologische Moleküle mit Computertechniken und untersuchen räumliche Karten der Phosphorverteilung in den Vereinigten Staaten – um nur einige Beispiele zu nennen“, sagte Sozzani.

Wir möchten eine Reihe grundlegender Entdeckungen und Entwicklungen vorantreiben, die der gesamten Phosphor-Wissenschaftsgemeinschaft weiterhelfen.

Das erste Forschungsthema des Zentrums auf der Materialebene ist die Entdeckung und Entwicklung neuer anorganischer, organischer und biologisch inspirierter Materialien zur Freisetzung, Bindung und Rückgewinnung von Phosphor und phosphorhaltigen Spezies aus Flüssigkeiten und Feststoffen. Beispiele für aktuelle Forschungsprojekte sind die chemische und biologische Umwandlung von nicht reaktivem Phosphor, die Rückgewinnung von Phosphor mithilfe positiv geladener Ionen und die Weiterentwicklung der Phosphoranalytik.

Das zweite Forschungsthema auf der Ebene Mensch-Technologie bewertet die Machbarkeit von Technologien zur Rückgewinnung von Phosphor aus komplexen Abfallströmen, optimiert Bodeneigenschaften und verbessert die Bioverfügbarkeit von zurückgewonnenen Phosphaten. Aktuelle Forschungsprojekte umfassen die Entwicklung neuer Phosphorverbindungen zu einem nachhaltigen Düngemittel, die Untersuchung genetischer Mechanismen von Pflanzenphosphor und die Kontrolle von Altphosphor in Böden.

Das dritte Forschungsthema auf regionaler und globaler Ebene besteht darin, mithilfe eines systemischen Ansatzes zu bewerten, wie menschliche Eingriffe, politische Eingriffe und die Einführung von Technologien die Phosphornachhaltigkeit auf verschiedenen Ebenen unter verschiedenen alternativen sozioökonomischen, politischen und ökologischen Änderungsszenarien beeinflussen könnten. Einige aktuelle Forschungsprojekte befassen sich mit der Erstellung eines nationalen Phosphorbudgets und einer entsprechenden Karte, der Erstellung von Basisdaten und -instrumenten zur Simulation von Phosphorflüssen sowie der Bewertung der Wahrnehmungen und Bedürfnisse der Interessengruppen in der Phosphornachhaltigkeitsforschung.

Vielfalt im Denken und Handeln

Um Lösungen für ein so komplexes Problem zu finden, ist die Zusammenarbeit von Forschern aus verschiedenen Bereichen und mit unterschiedlichem Hintergrund erforderlich. Konvergenzinformatik und die drei Forschungsthemen unterstreichen das Engagement des Zentrums für interdisziplinäre Forschung. Sogar sein Hauptsitz, das Gebäude für Pflanzenwissenschaften, fördert eine Kultur der Interdisziplinarität.

„Das Plant Sciences Building ermöglicht es uns, viele Lehrkräfte, Studenten und Postdoktoranden an einem zentralen Ort zusammenzubringen und bietet Raum für ein sehr großes und komplexes Projekt“, sagte Jones. Und es ist von Vorteil, in einer Umgebung mit anderen interdisziplinären Projekten zu sein. „Jeder im Gebäude kann von unseren Erfahrungen lernen. Ebenso können wir von den anderen Projekten im Gebäude lernen.“

„Die Verbindung mehrerer Disziplinen ist ein wesentlicher Bestandteil der Forschungstätigkeit von NC State“, sagte Genevieve Garland, stellvertretende Kanzlerin für Forschungsbetrieb und Kommunikation und Stabschefin des Büros für Forschung und Innovation. Garland leitet die interdisziplinäre Forschungseinheit des Büros. „Unsere Forscher bringen unterschiedliche Fähigkeiten und Fachkenntnisse zusammen, um Probleme auf wirklich dynamische Weise zu lösen. Durch die Förderung interdisziplinärer Initiativen schafft NC State ganzheitliche, umfassende Lösungen für komplexe globale Probleme.“

Über Forschungsprojekte und -themen hinaus verfolgt STEPS ein ehrgeiziges Ziel in Sachen Vielfalt: Das Ziel einer breiteren Beteiligung besteht darin, dass mehr als 501.000 Teilnehmer aus unterrepräsentierten Gruppen stammen. Vielfalt in Kultur, Perspektive und Erfahrung führt zu origineller, innovativer Forschung. Um dieses Ziel zu erreichen, muss alles genutzt werden, was NC State in Bezug auf die Rekrutierung von Absolventen, die Ansprache unterversorgter Gemeinden und die Abstimmung der Visionen des STEPS Center und von NC State in Bezug auf Vielfalt zu bieten hat.

„Die Universität glaubt wirklich von ganzem Herzen an Vielfalt und Interdisziplinarität, und dies ist eine großartige Partnerschaft zwischen STEPS und NC State“, sagte Jones. „Wir haben dieses Ziel einer breiteren Beteiligung, weil wir wissen, dass das Einbringen vielfältiger Erfahrungen und Perspektiven Innovationen fördert.“

Noch mindestens vier Jahre lang wird STEPS die Diversität fördern, Konvergenzforschung anwenden und die Phosphornachhaltigkeit vorantreiben. Dabei bereitet das Zentrum die Studierenden auf die Arbeit an komplexen, interdisziplinären Problemen vor und vermittelt ihnen grundlegendes Wissen, um eine sicherere und gesündere Umwelt für alle zu schaffen.

Originalquelle des Artikels: WRAL