NC State speelt een cruciale rol in het beheer van de mondiale landbouwsector
Datum gepubliceerd:RALEIGH – Fosfor is essentieel voor alle levende wezens, een van de bouwstenen van DNA en de energievaluta van cellen.…
De voedselvoorziening is afhankelijk van fosformeststoffen, maar het gebruik ervan is inefficiënt en niet duurzaam: niet-hernieuwbare fosfaatvoorraden worden gewonnen en slechts 20% van de fosfor die in het voedselsysteem wordt gebruikt, komt in het menselijke dieet terecht.
Een aanzienlijk deel van de fosfor sijpelt in de bodem en het zoete water en wordt een verontreiniging die dieren doodt, algenbloei doet ontstaan en dode zones aan de kust vergroot. Uit balans kan dit vitale element het leven beëindigen.
De Wetenschap en technologieën voor de duurzaamheid van fosfor (STEPS) Center werkt aan het ontdekken en ontwikkelen van manieren om fosfor te recyclen, ons voedselsysteem efficiënter te maken en het milieu te beschermen tegen verspilling. Het STEPS Center, met hoofdkantoor in NC State en toegekend door de National Science Foundation, was gelanceerd in oktober 2021 na vier jaar voorbereiding. Het draagt nu al bij aan het mondiale begrip over de duurzaamheid van fosfor.
"Het was erg boeiend en bevredigend omdat we deze visie voor STEPS hadden, en nu zijn we bezig met de implementatie", zegt Ross Sozzani, mede-adjunct-directeur van het centrum en een NC State University Faculty Scholar en hoogleraar planten- en microbiële biologie. “Het is spannend om te zien hoe dingen op hun plek vallen.”
ONTDEK HET STAPPENCENTRUM
Het STEPS Center, met hoofdkantoor in NC State, bestaat uit verschillende instellingen die duurzame oplossingen voor het gebruik van fosfor bestuderen.
Onder leiding van NC State en gebaseerd op Centennial Campus omvat STEPS acht extra instellingen in het hele land: Appalachian State University, Arizona State University, Marquette University, North Carolina A&T State University, RTI International, de University of Florida, de University of Illinois in Urbana -Champaign en de Universiteit van North Carolina in Greensboro. Het centrum werd toegekend tijdens de COVID-19-pandemie, halverwege het herfstsemester en voordat de bouw van de thuisbasis, het Plant Sciences Building, was voltooid.
"We hebben een van de meest prestigieuze centra binnengehaald die de National Science Foundation onder zeer moeilijke omstandigheden heeft toegekend", zegt Jacob Jones, directeur van het STEPS Center en een Kobe Steel Distinguished Professor of Materials Science and Engineering bij NC State. “Maar de betrokkenheid en samenwerking van het team bij de lancering van het centrum heeft mijn verwachtingen overtroffen. Er zijn mensen die fysiek en virtueel met het centrum communiceren. Na hier vier jaar aan te hebben gewerkt, was het best spannend.”
Omdat de duurzaamheid van fosfor een complex vraagstuk is, vertrouwt STEPS op diversiteit in zowel vaardigheden als onderwerpen. Het onderzoek van het centrum richt zich op verkennend, op gebruik geïnspireerd fundamenteel onderzoek dat zich uitstrekt van de moleculaire en materiaalschaal tot de manier waarop mensen omgaan met technologie tot de mondiale economische en sociale gevolgen van de duurzaamheid van fosfor.
Een van de aandachtsgebieden van het centrum is convergentie-informatica, waarbij een aanzienlijke hoeveelheid informatie wordt verzameld, diverse datasets worden samengesmolten en machine learning-algoritmen worden gebruikt om de volgende stappen in het onderzoek te informeren. Convergentie-informatica maakt gebruik van datawetenschap om nieuwe materialen, technologieën en strategieën te beoordelen en te voorspellen. Bij STEPS gebruiken onderzoekers deze strategieën om de opname van fosfor en de afbraak en modificatie van fosforverbindingen te bestuderen. Het centrum zal nieuwe kennis over de duurzaamheid van fosfor creëren en verspreiden.
“Het doel is niet om unieke technologische oplossingen te creëren en in te zetten”, aldus Jones. “We willen een aantal fundamentele ontdekkingen en ontwikkelingen creëren die de hele fosforwetenschappelijke gemeenschap vooruit helpen.”
Het centrum heeft een looptijd van vijf jaar, met de mogelijkheid om het met nog eens vijf jaar te verlengen. Externe partnerschappen zijn bijzonder belangrijk, zodat het centrum ook na afloop van de prijs ontdekkingen kan blijven doen.
"We ontdekken nu nieuwe kennis over fosforduurzaamheid, en dat zullen we in jaar 10 doen", zei Jones.
ONDERZOEK DAT ONDERWERPEN EN SCHALEN OMspant
Binnen 25 jaar hoopt STEPS de menselijke afhankelijkheid van gewonnen fosfaten te helpen verminderen met 25% en de verliezen van punt- en niet-puntbronnen van fosfor naar bodems en waterbronnen te verminderen met 25%.
Drie thema's vormen de basis voor STEPS: de schaal van materialen, de schaal van mens en technologie, en regionale en mondiale schaal. Specifieke vakgebieden omvatten, maar zijn geenszins beperkt tot, scheikunde, natuurkunde, dierwetenschappen, bio-engineering, ecologie, sociologie en openbaar beleid.
“Onze onderzoekers verrichten divers werk: ze zitten achter microscopen en kijken naar deeltjes, gaan naar afvalwaterzuiveringsinstallaties om monsters te verzamelen, gebruiken natchemische laboratoria om nieuwe materialen te synthetiseren, simuleren biologische moleculen met behulp van computertechnieken en onderzoeken ruimtelijke kaarten van hoe fosfor wordt gevormd. verspreid over de Verenigde Staten – om maar een paar voorbeelden te noemen”, zei Sozzani.
We willen een aantal fundamentele ontdekkingen en ontwikkelingen creëren die de hele fosforwetenschappelijke gemeenschap vooruit helpen.
Het eerste onderzoeksthema van het centrum, op materiaalschaal, is het ontdekken en ontwikkelen van nieuwe anorganische, organische en bio-geïnspireerde materialen om fosfor en fosforhoudende soorten te bevrijden, op te vangen en terug te winnen uit zowel vloeistoffen als vaste stoffen. Voorbeelden van lopende onderzoeksprojecten zijn onder meer de chemische en biologische transformaties van niet-reactieve fosfor, het terugwinnen van fosfor met behulp van positief geladen ionen, en de vooruitgang van fosforanalyses.
Het tweede onderzoeksthema, op mens-technologie schaal, evalueert de levensvatbaarheid van technologieën voor het terugwinnen van fosfor uit complexe afvalstromen, optimaliseert de bodemeigenschappen en verbetert de biotoegankelijkheid van teruggewonnen fosfaten. Lopende onderzoeksprojecten omvatten het ontwikkelen van nieuwe fosforverbindingen tot een duurzame meststof, het onderzoeken van genetische mechanismen in plantenfosfor en het beheersen van verouderde fosfor in de bodem.
Het derde onderzoeksthema, op regionale en mondiale schaal, is het gebruik van een benadering op systeemniveau om te evalueren hoe menselijk ingrijpen, beleidsinterventie en technologie-adoptie de duurzaamheid van fosfor op verschillende schaalniveaus kunnen beïnvloeden onder verschillende alternatieve sociaal-economische, beleids- en ecologische veranderingsscenario's. Sommige huidige onderzoeksprojecten omvatten het creëren van een nationaal fosforbudget en -kaart, het vaststellen van basisgegevens en hulpmiddelen om fosforstromen te simuleren, en het evalueren van de percepties en behoeften van belanghebbenden bij onderzoek naar de duurzaamheid van fosfor.
DIVERSITEIT IN GEDACHTEN EN HANDELEN
Het ontdekken van oplossingen voor een dergelijk complex probleem vereist samenwerking tussen onderzoekers op verschillende terreinen en met verschillende achtergronden. Convergentie-informatica en de drie onderzoeksthema's benadrukken de inzet van het centrum voor interdisciplinair onderzoek. Zelfs de thuisbasis, het Plant Sciences Building, koestert een cultuur van interdisciplinariteit.
“Het Plant Sciences Building stelt ons in staat om op een centrale locatie veel docenten, studenten en postdocs samen te brengen, en biedt intersectionele ruimte voor een zeer groot en complex project”, aldus Jones. En het is nuttig om in een huis te zijn met andere interdisciplinaire projecten. “Iedereen in het gebouw kan leren van onze ervaringen. Op dezelfde manier kunnen we leren van de andere projecten in het gebouw.”
"Het verbinden van verschillende disciplines is een essentieel onderdeel van de onderzoeksactiviteiten van NC State", zegt Genevieve Garland, vice-kanselier van onderzoeksactiviteiten en communicatie en stafchef van het Office of Research and Innovation. Garland leidt de interdisciplinaire onderzoekseenheid van het bureau. “Onze onderzoekers brengen verschillende vaardigheden en expertise samen om problemen op een echt dynamische manier op te lossen. Door interdisciplinaire initiatieven te bevorderen, creëert NC State holistische, alomvattende oplossingen voor ingewikkelde mondiale problemen.”
Naast onderzoeksprojecten en onderwerpen heeft STEPS een ambitieus doel op het gebied van diversiteit: het bredere participatiedoel is om meer dan 50% van de betrokken individuen uit ondervertegenwoordigde groepen te laten komen. Diversiteit aan cultuur, perspectief en ervaring leidt tot origineel, vernieuwend onderzoek. Dit doel vereist het benutten van alles wat NC State te bieden heeft op het gebied van de werving van afgestudeerden, het bereiken van achtergestelde gemeenschappen en het op één lijn brengen van de visies op diversiteit van het STEPS Center en NC State.
“De universiteit gelooft echt met heel haar hart in diversiteit en interdisciplinariteit, en dit is een geweldig partnerschap tussen STEPS en NC State”, aldus Jones. “We hebben dit verbredende participatiedoel omdat we weten dat het inbrengen van diverse ervaringen en perspectieven innovatie bevordert.”
Nog minstens vier jaar zal STEPS doorgaan met het bevorderen van diversiteit, het toepassen van convergentieonderzoek en het bevorderen van de duurzaamheid van fosfor. Door dit te doen bereidt het centrum studenten voor op het werken aan complexe, interdisciplinaire problemen en het ontdekken van fundamentele kennis om een veiligere, gezondere omgeving voor iedereen te creëren.
Originele artikelbron: WRAL