מדינת NC ממלאת תפקיד קריטי בניהול תעשיית החקלאות העולמית
תאריך פרסום:ראלי - זרחן חיוני לכל היצורים החיים, אחד מאבני הבניין של ה-DNA ומטבע האנרגיה של התאים.
אספקת המזון מסתמכת על דשני זרחן, אך השימוש בהם אינו יעיל ואינו בר קיימא: מרבצי פוספט בלתי מתחדשים נכרים, ורק 20% מהזרחן המשמש במערכת המזון מגיע לתזונה האנושית.
חלק ניכר מהזרחן מחלחל לקרקעות ולמים מתוקים, הופך לגורם מזהם שהורג בעלי חיים, מצמיח פריחת אצות ומרחיב אזורים מתים בחופים. חוסר איזון, אלמנט חיוני זה יכול לשים קץ לחיים.
ה מדע וטכנולוגיות לקיימות זרחן (STEPS) המרכז פועל לגלות ולפתח דרכים למיחזור זרחן, להפוך את מערכת המזון שלנו ליעילה יותר ולהגן על הסביבה מפני פסולת. מרכז ה-STEPS, שמרכזו במדינת NC והוענק על ידי הקרן הלאומית למדע, היה הושק באוקטובר 2021 לאחר ארבע שנים של הכנה. זה כבר מוסיף להבנה העולמית לגבי קיימות זרחן.
"זה היה מאוד מרתק ומספק כי היה לנו את החזון הזה עבור STEPS, ועכשיו אנחנו עוברים את היישום", אמר רוס סוזאני, סגן מנהל משותף של המרכז ומלומד בפקולטה של אוניברסיטת NC State ופרופסור לביולוגיה של צמחים וחיידקים. "זה מרגש לראות דברים נכנסים למקומם."
חקור את מרכז הצעדים
המטה הראשי במדינת NC, מרכז STEPS מורכב ממספר מוסדות ללימוד פתרונות ברי קיימא לשימוש בזרחן.
בהובלת NC State ומבוססת על קמפוס Centennial, STEPS כוללת שמונה מוסדות נוספים ברחבי הארץ: אוניברסיטת אפלצ'יאן, אוניברסיטת אריזונה סטייט, אוניברסיטת מרקטה, אוניברסיטת צפון קרוליינה A&T State University, RTI International, אוניברסיטת פלורידה, אוניברסיטת אילינוי באורבנה -Champaign ואוניברסיטת צפון קרוליינה בגרינסבורו. המרכז הוענק במהלך מגיפת COVID-19, באמצע סמסטר הסתיו ולפני השלמת בניית בסיס הבית שלו, בניין מדעי הצמח.
"הגענו לאחד המרכזים היוקרתיים ביותר שהקרן הלאומית למדע מעניקה בתנאים קשים באמת", אמר ג'ייקוב ג'ונס, מנהל מרכז STEPS ופרופסור מובהק של קובי סטיל למדע והנדסת חומרים ב-NC State. "אבל המעורבות ושיתוף הפעולה של הצוות בהשקת המרכז עלו על הציפיות שלי. יש לנו אנשים המקיימים אינטראקציה עם המרכז פיזית וירטואלית. אחרי שעבדתי על זה במשך ארבע שנים, זה היה די מרגש".
מכיוון שקיימות זרחן היא נושא מורכב, STEPS מסתמכת על גיוון במיומנויות ובנושאים כאחד. המחקר של המרכז מתמקד במחקר בסיסי חקרני בהשראת שימוש, שנע בין קנה המידה המולקולרי והחומרי לאופן שבו בני אדם מתקשרים עם טכנולוגיה ועד להשפעות הכלכליות והחברתיות העולמיות של קיימות זרחן.
אחד מתחומי המיקוד של המרכז הוא אינפורמטיקה של התכנסות, הכוללת לקיחת כמות משמעותית של מידע, איחוי מערכי נתונים מגוונים ושימוש באלגוריתמים של למידת מכונה כדי לייעד את השלבים הבאים במחקר. אינפורמטיקה של התכנסות משתמשת במדעי הנתונים כדי להעריך ולחזות חומרים, טכנולוגיות ואסטרטגיות חדשות. ב-STEPS, חוקרים משתמשים באסטרטגיות אלו כדי לחקור את לכידת זרחן וכן פירוק ושינוי של תרכובות זרחן. המרכז יצור ויפיץ ידע חדש על קיימות זרחן.
"המטרה היא לא ליצור ולפרוס פתרונות טכנולוגיים יחידים", אמר ג'ונס. "אנחנו רוצים ליצור מספר תגליות ופיתוחים בסיסיים שיעזרו לכל הקהילה המדעית של הזרחן להתקדם".
למרכז זמן הרצה של חמש שנים, עם אפשרות לחדשו לחמש שנים נוספות. שותפויות חיצוניות חשובות במיוחד כדי שהמרכז יוכל להמשיך לגלות תגליות גם לאחר סיום הפרס.
"אנחנו מגלים ידע חדש בנושא קיימות זרחן עכשיו, ונעשה זאת בשנה 10", אמר ג'ונס.
מחקר המתפרש על נושאים וקנה מידה
בתוך 25 שנים, STEPS מקווה לעזור להפחית את התלות האנושית בפוספטים ממוקרים ב-25% ולהפחית את אובדן המקורות הנקודתיים והלא-נקודתיים של זרחן לקרקעות ולמקורות מים ב-25%.
שלושה נושאים ביססו צעדים: קנה מידה חומרים, קנה מידה אנושי-טכנולוגי וקנה מידה אזורי וגלובלי. תחומים ספציפיים כוללים, אך בשום אופן אינם מוגבלים ל, כימיה, פיזיקה, מדעי בעלי החיים, ביו-הנדסה, אקולוגיה, סוציולוגיה ומדיניות ציבורית.
"החוקרים שלנו מבצעים עבודה מגוונת - הם יושבים ליד מיקרוסקופים ומסתכלים בחלקיקים, הולכים למתקני טיהור שפכים כדי לאסוף דגימות, משתמשים במעבדות כימיות רטובות כדי לסנתז חומרים חדשים, מדמים מולקולות ביולוגיות באמצעות טכניקות חישוביות ובוחנים מפות מרחביות של צורת הזרחן. מופץ ברחבי ארצות הברית - רק כדוגמאות בודדות", אמר סוזאני.
אנחנו רוצים ליצור מספר תגליות ופיתוחים בסיסיים שיעזרו לכל הקהילה המדעית של הזרחן להתקדם.
נושא המחקר הראשון של המרכז, בסולם החומרים, הוא גילוי ופיתוח חומרים אנאורגניים, אורגניים ובעלי השראה ביולוגית כדי לשחרר, ללכוד ולהחזיר זרחן וזרחן מכילים מנוזלים ומוצקים כאחד. דוגמאות לפרויקטים מחקריים נוכחיים כוללים טרנספורמציות כימיות וביולוגיות של זרחן לא מגיב, החזרת זרחן באמצעות יונים טעונים חיובית, וקידום אנליטיקה של זרחן.
נושא המחקר השני, בקנה מידה אנושי-טכנולוגי, מעריך את כדאיותן של טכנולוגיות להשבת זרחן מזרמי פסולת מורכבים, מייעל את תכונות הקרקע ומשפר את הנגישות הביולוגית של פוספטים מוחזרים. פרויקטי מחקר נוכחיים כוללים פיתוח תרכובות זרחן חדשות לדשן בר קיימא, בחינת מנגנונים גנטיים בזרחן צמחי ושליטה בזרחן מדור קודם בקרקעות.
נושא המחקר השלישי, בקנה מידה אזורי וגלובלי, הוא להשתמש בגישה ברמת המערכת כדי להעריך כיצד התערבות אנושית, התערבות מדיניות ואימוץ טכנולוגיה יכולים להשפיע על קיימות זרחן בקנה מידה שונה תחת תרחישים חלופיים שונים של שינוי סוציו-אקונומי, מדיניות ושינוי סביבתי. חלק מפרויקטי המחקר הנוכחיים כוללים יצירת תקציב ומפה לאומיים של זרחן, הקמת נתונים וכלים בסיסיים על מנת לדמות זרימות זרחן, והערכת תפיסות וצרכים של בעלי עניין במחקר קיימות זרחן.
גיוון במחשבה ובפעולה
גילוי פתרונות לבעיה כה מורכבת מצריך שיתוף פעולה בין חוקרים בתחומים שונים ומרקעים שונים. אינפורמטיקה של התכנסות ושלושת נושאי המחקר מדגישים את מחויבות המרכז למחקר בין-תחומי. אפילו בסיס הבית שלו, בניין מדעי הצמח, מטפח תרבות של בינתחומיות.
"בניין מדעי הצמח מאפשר לנו להפגיש, במיקום מרכזי, הרבה סגל, סטודנטים ופוסט דוקטורט, ומספק מרחב צולב לפרויקט גדול ומורכב מאוד", אמר ג'ונס. וזה מועיל להיות בבית עם פרויקטים בין-תחומיים אחרים. "כל אחד בבניין יכול ללמוד מהניסיון שלנו. כמו כן, אנו יכולים ללמוד משאר הפרויקטים בבניין".
"חיבור של מספר דיסציפלינות הוא חלק חיוני ממפעל המחקר של NC State", אמרה ג'נבייב גרלנד, סגנית המנהלת המשותפת לתפעול מחקר ותקשורת וראש הסגל של משרד המחקר והחדשנות. גרלנד מוביל את יחידת המחקר הבינתחומי של המשרד. "החוקרים שלנו מפגישים כישורים ומומחיות שונים כדי לפתור בעיות בצורה דינמית באמת. על ידי טיפוח יוזמות בין-תחומיות, NC State יוצרת פתרונות הוליסטיים ומקיפים לנושאים גלובליים מורכבים".
מעבר לפרויקטים מחקריים ולנושאים, ל-STEPS יש מטרה שאפתנית בגיוון: מטרת ההשתתפות המתרחבת שלה היא שיותר מ-50% של אנשים מעורבים יהיו מקבוצות שאינן מיוצגות. מגוון תרבות, פרספקטיבה וניסיון מוביל למחקר מקורי וחדשני. מטרה זו דורשת למנף את כל מה שיש למדינת NC להציע במונחים של גיוס בוגרים, הסברה לקהילות מוחלשות והתאמה בין חזונות הגיוון של מרכז STEPS ומדינת NC.
"האוניברסיטה באמת מאמינה בגיוון ובבינתחומיות בלב שלם, וזוהי שותפות נהדרת בין STEPS ו-NC State", אמר ג'ונס. "יש לנו את מטרת ההשתתפות המתרחבת מכיוון שאנו יודעים שהבאת חוויות ונקודות מבט מגוונות מטפחת חדשנות."
במשך ארבע שנים נוספות לפחות, STEPS תמשיך לקדם את הגיוון, ליישם מחקר התכנסות ולקדם קיימות זרחן. בתוך כך, המרכז יכין את התלמידים לעבוד על בעיות מורכבות ובינתחומיות ולגלות ידע בסיסי ליצירת סביבה בטוחה ובריאה יותר לכולם.
מקור המאמר המקורי: WRAL