NC State on ratkaisevassa roolissa globaalin maatalousteollisuuden hallinnassa

Julkaisupäivä:

RALEIGH – Fosfori on välttämätön kaikille eläville olennoille, yksi DNA:n ja solujen energiavaluutan rakennuspalikoista.…

Elintarvikkeiden hankinnat ovat riippuvaisia fosforilannoitteista, mutta niiden käyttö on tehotonta ja kestämätöntä: Uusiutumattomia fosfaattiesiintymiä louhitaan, ja vain 20% elintarvikejärjestelmässä käytetystä fosforista päätyy ihmisen ruokavalioon.

Huomattava osa fosforista imeytyy maaperään ja makeaan veteen ja muodostuu saasteeksi, joka tappaa eläimiä, kasvattaa leväkukintoja ja laajentaa rannikon kuolleita vyöhykkeitä. Epätasapainossa tämä elintärkeä elementti voi lopettaa elämän.

The Fosforin kestävän kehityksen tiede ja teknologiat (STEPS) Center pyrkii löytämään ja kehittämään tapoja kierrättää fosforia, tehostaa elintarvikejärjestelmäämme ja suojella ympäristöä jätteiltä. STEPS Centerin pääkonttori oli NC Statessa ja National Science Foundationin myöntämä otettiin käyttöön lokakuussa 2021 neljän vuoden valmistelun jälkeen. Se lisää jo maailmanlaajuista ymmärrystä fosforin kestävyydestä.

"Se on ollut erittäin mukaansatempaavaa ja täyttävää, koska meillä oli tämä näkemys STEPSistä, ja nyt käymme läpi toteutusta", sanoi Ross Sozzani, keskuksen apulaisjohtaja ja NC State Universityn tiedekunnan tutkija ja kasvi- ja mikrobiologian professori. "On jännittävää nähdä asioiden loksahtelevan paikoilleen."

TUTUSTU STEPS-KESKUKSEEN
STEPS Centerin pääkonttori sijaitsee NC Statessa, ja se koostuu useista instituutioista, jotka tutkivat kestäviä ratkaisuja fosforin käyttöön.

NC Staten johtama ja Centennial Campus -kampukseen perustuva STEPS sisältää kahdeksan uutta oppilaitosta eri puolilla maata: Appalachian State University, Arizona State University, Marquette University, North Carolina A&T State University, RTI International, Floridan yliopisto, Illinoisin yliopisto Urbanassa. -Champaign ja North Carolinan yliopisto Greensborossa. Keskus palkittiin COVID-19-pandemian aikana, puolivälissä syyslukukautta ja ennen kuin sen kotitukikohdan, Plant Sciences Buildingin, rakentaminen valmistui.

"Saimme yhden arvostetuimmista keskuksista, jonka National Science Foundation palkitsee todella vaikeissa olosuhteissa", sanoi Jacob Jones, STEPS-keskuksen johtaja ja Kobe Steelin arvostettu materiaalitieteen ja tekniikan professori NC Statessa. "Mutta tiimin sitoutuminen ja yhteistyö keskuksen käynnistämisessä on ylittänyt odotukseni. Meillä on ihmisiä, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskuksen kanssa fyysisesti ja virtuaalisesti. Neljän vuoden työskentelyn jälkeen se on ollut melko jännittävää.

Koska fosforin kestävyys on monimutkainen asia, STEPS perustuu taitojen ja oppiaineiden monimuotoisuuteen. Keskuksen tutkimus keskittyy tutkivaan, käyttövaikutteiseen perustutkimukseen, joka ulottuu molekyyli- ja materiaalimittakaavasta ihmisen vuorovaikutukseen teknologian kanssa fosforin kestävän kehityksen globaaleihin taloudellisiin ja sosiaalisiin vaikutuksiin.

Yksi keskuksen painopistealueista on konvergenssiinformatiikka, jossa otetaan huomioon merkittävä tietomäärä, yhdistetään erilaisia tietokokonaisuuksia ja käytetään koneoppimisalgoritmeja tutkimuksen seuraavien vaiheiden tiedoksi. Konvergenssiinformatiikka käyttää datatieteitä uusien materiaalien, tekniikoiden ja strategioiden arvioimiseen ja ennustamiseen. STEPSissä tutkijat käyttävät näitä strategioita fosforin talteenoton sekä fosforiyhdisteiden hajoamisen ja modifikoinnin tutkimiseen. Keskus luo ja levittää uutta tietoa fosforin kestävyydestä.

"Tavoitteena ei ole luoda ja ottaa käyttöön yksittäisiä teknologiaratkaisuja", Jones sanoi. "Haluamme luoda useita perustavanlaatuisia löytöjä ja kehityssuuntia, jotka auttavat koko fosforitieteellistä yhteisöä etenemään."

Keskuksen toiminta-aika on viisi vuotta, ja se on mahdollisuus uusia viideksi vuodeksi. Ulkopuoliset kumppanuudet ovat erityisen tärkeitä, jotta keskus voi jatkaa löytöjä myös palkinnon päättymisen jälkeen.

"Löydämme uutta fosforin kestävyyttä koskevaa tietoa nyt, ja teemme sen vuonna 10", Jones sanoi.

TUTKIMUKSEN AIHEET JA ASIAT

STEPS toivoo 25 vuoden sisällä vähentävänsä ihmisten riippuvuutta louhituista fosfaateista 25%:lla ja vähentävänsä fosforin piste- ja ei-pistelähteiden hävikkiä maaperään ja vesivaroihin 25%:lla.

STEPSiin pohjautuvat kolme teemaa: materiaalimittakaava, ihmisen ja teknologian mittakaava sekä alueellinen ja globaali mittakaava. Erityisiä aloja ovat muun muassa kemia, fysiikka, eläintieteet, biotekniikka, ekologia, sosiologia ja julkinen politiikka.

”Tutkijamme tekevät monipuolista työtä – he istuvat mikroskooppien ääressä ja katsovat hiukkasia, käyvät jätevedenkäsittelylaitoksissa keräämässä näytteitä, käyttävät märkäkemiallisia laboratorioita syntetisoimaan uusia materiaaleja, simuloivat biologisia molekyylejä laskennallisilla tekniikoilla ja tutkivat tilakarttoja siitä, miten fosfori on. jaetaan kaikkialla Yhdysvalloissa – vain muutamana esimerkkinä”, Sozzani sanoi.

Haluamme luoda useita perustavanlaatuisia löytöjä ja kehityssuuntia, jotka auttavat koko fosforitieteellistä yhteisöä etenemään.

Keskuksen ensimmäinen tutkimusteema materiaalimittakaavassa on löytää ja kehittää uusia epäorgaanisia, orgaanisia ja biovaikutteisia materiaaleja fosforin ja fosforipitoisten lajien vapauttamiseksi, talteenottamiseksi ja talteenottamiseksi sekä nesteistä että kiinteistä aineista. Esimerkkejä nykyisistä tutkimusprojekteista ovat muun muassa ei-reaktiivisen fosforin kemialliset ja biologiset muunnokset, fosforin talteenotto positiivisesti varautuneiden ionien avulla sekä fosforianalyysin edistäminen.

Toisessa, ihmis-teknologian mittakaavassa tutkimusaiheessa arvioidaan fosforin talteenottotekniikoiden kannattavuutta monimutkaisista jätevirroista, optimoidaan maaperän ominaisuuksia ja parannetaan talteen otettujen fosfaattien biosaatavuutta. Nykyisiä tutkimusprojekteja ovat muun muassa uusien fosforiyhdisteiden kehittäminen kestäväksi lannoitteeksi, kasvifosforin geneettisten mekanismien tutkiminen ja maaperän perinnöllisen fosforin hallinta.

Kolmas tutkimusteema, alueellisella ja globaalilla tasolla, on käyttää järjestelmätason lähestymistapaa arvioitaessa, miten ihmisen väliintulo, politiikan väliintulo ja teknologian käyttöönotto voivat vaikuttaa fosforin kestävyyteen eri mittakaavassa erilaisissa vaihtoehtoisissa sosioekonomisissa, poliittisissa ja ympäristömuutosskenaarioissa. Joihinkin nykyisiin tutkimusprojekteihin kuuluu kansallisen fosforibudjetin ja -kartan luominen, perustietojen ja työkalujen luominen fosforivirtojen simuloimiseksi sekä sidosryhmien käsitysten ja tarpeiden arviointi fosforin kestävän kehityksen tutkimuksessa.

MONIPUOLISUUS AJATUKSESSA JA TOIMINNASSA

Ratkaisujen löytäminen näin monimutkaiseen ongelmaan vaatii yhteistyötä eri alojen ja eri taustojen tutkijoiden kesken. Konvergenssiinformatiikka ja kolme tutkimusteemaa korostavat keskuksen sitoutumista tieteidenväliseen tutkimukseen. Jopa sen kotipaikka, Plant Sciences Building, edistää monitieteisyyden kulttuuria.

"Plant Sciences Building mahdollistaa sen, että voimme tuoda yhteen keskeiseen paikkaan paljon tiedekuntia, opiskelijoita ja tohtorintutkijoita, ja se tarjoaa risteystilaa erittäin suurelle ja monimutkaiselle projektille", Jones sanoi. Ja on hyödyllistä olla kotona muiden poikkitieteellisten projektien kanssa. ”Kuka tahansa rakennuksessa oleva voi oppia kokemuksistamme. Samoin voimme oppia rakennuksen muista projekteista."

"Useiden tieteenalojen yhdistäminen on olennainen osa NC Staten tutkimustoimintaa", sanoi Genevieve Garland, tutkimustoiminnan ja viestinnän apulaisvarakansleri sekä tutkimus- ja innovaatiotoimiston kansliapäällikkö. Garland johtaa toimiston tieteidenvälistä tutkimusyksikköä. ”Tutkijamme yhdistävät erilaisia taitoja ja asiantuntemusta ratkaistakseen ongelmia todella dynaamisella tavalla. Edistämällä tieteidenvälisiä aloitteita NC State luo kokonaisvaltaisia, kattavia ratkaisuja monimutkaisiin globaaleihin ongelmiin.

Tutkimusprojektien ja aiheen lisäksi STEPSillä on kunnianhimoinen tavoite monimuotoisuudessa: sen laajentava osallistumistavoite on saada yli 50% osallistujaa aliedustetuista ryhmistä. Kulttuurin, näkökulmien ja kokemusten monimuotoisuus johtaa omaperäiseen, innovatiiviseen tutkimukseen. Tämä tavoite edellyttää, että hyödynnetään kaikkea, mitä NC Statella on tarjottavanaan tutkinnon suorittaneiden rekrytoinnin, alipalveltujen yhteisöjen tavoittamisen sekä STEPS-keskuksen ja NC Staten monimuotoisuuden visioiden yhdenmukaistamisen suhteen.

"Yliopisto todella uskoo monimuotoisuuteen ja monitieteisyyteen koko sydämestään, ja tämä on loistava kumppanuus STEPSin ja NC Staten välillä", Jones sanoi. "Meillä on tämä laajentava osallistumistavoite, koska tiedämme, että erilaisten kokemusten ja näkökulmien tuominen edistää innovaatioita."

STEPS jatkaa monimuotoisuuden edistämistä, konvergenssitutkimuksen soveltamista ja fosforin kestävyyden edistämistä vielä ainakin neljä vuotta. Näin tehdessään keskus valmistaa opiskelijoita työskentelemään monimutkaisten, tieteidenvälisten ongelmien parissa ja löytämään perustietoa turvallisemman ja terveellisemmän ympäristön luomiseksi kaikille.

Alkuperäinen artikkelin lähde: WRAL