NC State spelar en avgörande roll i förvaltningen av den globala jordbruksindustrin

Publiceringsdatum: 14 juni 2022

RALEIGH – Fosfor är väsentligt för allt levande, en av byggstenarna i DNA och cellers energivaluta...

Livsmedelsförsörjningen är beroende av fosforgödsel, men användningen av dem är ineffektiv och ohållbar: Icke-förnybara fosfatavlagringar bryts, och endast 20% av fosforn som används i livsmedelssystemet når den mänskliga kosten.

En betydande del av fosforn sipprar in i jordar och sötvatten och blir en förorening som dödar djur, odlar algblomning och utökar kustnära döda zoner. I obalans kan detta viktiga element avsluta livet.

De Vetenskap och teknik för hållbar fosfor (STEPS) Center arbetar med att upptäcka och utveckla sätt att återvinna fosfor, göra vårt matsystem mer effektivt och skydda miljön från avfall. Med sitt huvudkontor i NC State och tilldelas av National Science Foundation, var STEPS Center lanserades i oktober 2021 efter fyra års förberedelser. Det bidrar redan till global förståelse om fosfor hållbarhet.

"Det har varit väldigt engagerande och tillfredsställande eftersom vi hade den här visionen för STEPS, och nu går vi igenom implementeringen", säger Ross Sozzani, centrets biträdande direktör och en NC State University Faculty Scholar och professor i växt- och mikrobbiologi. "Det är spännande att se saker falla på plats."

UTFORSKA STEPS CENTER
STEPS Center har sitt huvudkontor i NC State och består av flera institutioner för att studera hållbara lösningar för fosforanvändning.

Leds av NC State och baserat på Centennial Campus, inkluderar STEPS ytterligare åtta institutioner över hela 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 och University of North Carolina i Greensboro. Centret belönades under covid-19-pandemin, i mitten av höstterminen och innan bygget av dess hemmabas, Plant Sciences Building, slutfördes.

"Vi landade ett av de mest prestigefyllda centren som National Science Foundation delar ut under riktigt svåra förhållanden", säger Jacob Jones, STEPS Centers chef och Kobe Steel Distinguished Professor of Materials Science and Engineering vid NC State. "Men teamets engagemang och samarbete vid lanseringen av centret har överträffat mina förväntningar. Vi har människor som interagerar med centret fysiskt och virtuellt. Efter att ha jobbat med det här i fyra år har det varit ganska spännande.”

Eftersom fosfor hållbarhet är en komplex fråga, förlitar STEPS sig på mångfald i både färdigheter och ämnen. Centrets forskning fokuserar på utforskande, användningsinspirerad grundforskning som sträcker sig från molekyl- och materialskala till hur människor interagerar med teknik till de globala ekonomiska och sociala effekterna av fosfor hållbarhet.

Ett av centrets fokusområden är konvergensinformatik, som innebär att ta en betydande mängd information, smälta samman olika datamängder och använda maskininlärningsalgoritmer för att informera om nästa steg i forskningen. Konvergensinformatik använder datavetenskap för att bedöma och förutsäga nya material, teknologier och strategier. På STEPS använder forskare dessa strategier för att studera fosforavskiljning samt nedbrytning och modifiering av fosforföreningar. Centret ska skapa och sprida ny kunskap om fosfors hållbarhet.

"Målet är inte att skapa och distribuera unika teknologilösningar," sa Jones. "Vi vill skapa ett antal grundläggande upptäckter och utvecklingar som hjälper hela det fosforvetenskapliga samhället att gå framåt."

Centret har en löptid på fem år, med möjlighet att förnya det med ytterligare fem år. Externa partnerskap är särskilt viktiga så att centret kan fortsätta att göra upptäckter även efter att priset upphört.

"Vi upptäcker ny kunskap om fosfor-hållbarhet nu, och det kommer vi att göra under år 10," sa Jones.

FORSKNING SOM FRÅNAR ÄMNEN OCH SKALAR

Inom 25 år hoppas STEPS kunna bidra till att minska mänskligt beroende av utvunna fosfater med 25% och minska förlusterna av punkt- och icke-punktkällor av fosfor till mark och vattenresurser med 25%.

Tre teman grundar STEG: materialskala, mänsklig-teknologisk skala och regional och global skala. Specifika områden inkluderar, men är inte begränsade till, kemi, fysik, djurvetenskap, bioteknik, ekologi, sociologi och offentlig politik.

"Våra forskare utför olika arbeten - de sitter vid mikroskop och tittar på partiklar, går till avloppsvattenreningsanläggningar för att samla in prover, använder våta kemiska laboratorier för att syntetisera nya material, simulerar biologiska molekyler med hjälp av beräkningstekniker och undersöker rumsliga kartor över hur fosfor är distribueras över hela USA - bara som några exempel, säger Sozzani.

Vi vill skapa ett antal grundläggande upptäckter och utvecklingar som hjälper hela det fosforvetenskapliga samhället att gå framåt.

Centrets första forskningstema, på materialskalan, är att upptäcka och utveckla nya oorganiska, organiska och bioinspirerade material för att frigöra, fånga och återvinna fosfor och fosforhaltiga arter från både flytande och fasta ämnen. Exempel på aktuella forskningsprojekt inkluderar kemiska och biologiska omvandlingar av icke-reaktiv fosfor, återvinning av fosfor med hjälp av positivt laddade joner och utvecklingen av fosforanalys.

Det andra forskningstemat, på den mänskliga teknologiska skalan, utvärderar lönsamheten hos tekniker för att återvinna fosfor från komplexa avfallsströmmar, optimerar markegenskaper och förbättrar biotillgängligheten för återvunna fosfater. Pågående forskningsprojekt inkluderar utveckling av nya fosforföreningar till ett hållbart gödningsmedel, undersökning av genetiska mekanismer i växtfosfor och kontroll av arvfosfor i jordar.

Det tredje forskningstemat, på regional och global skala, är att använda ett tillvägagångssätt på systemnivå för att utvärdera hur mänskligt ingripande, policyingripande och teknikantagande kan påverka fosforhållbarhet på olika skalor under olika alternativa socioekonomiska, politiska och miljömässiga förändringsscenarier. Vissa aktuella forskningsprojekt involverar att skapa en nationell fosforbudget och karta, upprätta basdata och verktyg för att simulera fosforflöden och utvärdera intressenternas uppfattningar och behov i fosforhållbarhetsforskning.

MÅNGFALD I TANKE OCH HANDLING

Att hitta lösningar på ett så komplext problem kräver samarbete mellan forskare inom olika områden och med olika bakgrund. Konvergensinformatik och de tre forskningsteman belyser centrets engagemang för tvärvetenskaplig forskning. Till och med dess hemmabas, Plant Sciences Building, främjar en kultur av tvärvetenskap.

"Plant Sciences Building tillåter oss att samla många lärare, studenter och postdoktorer på en central plats, och ger intersektionellt utrymme för ett mycket stort och komplext projekt," sa Jones. Och det är fördelaktigt att vara i ett hem med andra tvärvetenskapliga projekt. ”Vem som helst i byggnaden kan lära sig av våra erfarenheter. På samma sätt kan vi lära oss av de andra projekten i byggnaden.”

"Att koppla ihop flera discipliner är en viktig del av NC States forskningsföretag", säger Genevieve Garland, biträdande vicekansler för forskningsverksamhet och kommunikation och Office of Research and Innovations stabschef. Garland leder kontorets Interdisciplinary Research Unit. ”Våra forskare samlar olika kompetenser och expertis för att lösa problem på ett verkligt dynamiskt sätt. Genom att främja tvärvetenskapliga initiativ skapar NC State holistiska, heltäckande lösningar på komplicerade globala frågor."

Utöver forskningsprojekt och ämnesområden har STEPS ett ambitiöst mål för mångfald: Dess bredda deltagandemål är att ha mer än 50% av inblandade individer från underrepresenterade grupper. Mångfald av kultur, perspektiv och erfarenhet leder till originell, innovativ forskning. Detta mål kräver att man utnyttjar allt som NC State har att erbjuda när det gäller rekrytering av akademiker, uppsökande till underbetjänade samhällen och anpassningen av STEPS Centers och NC States visioner om mångfald.

"Universitetet tror verkligen helhjärtat på mångfald och tvärvetenskap, och det här är ett fantastiskt partnerskap mellan STEPS och NC State," sa Jones. "Vi har detta bredda deltagandemål eftersom vi vet att det främjar innovation att tillföra olika erfarenheter och perspektiv."

Under minst fyra år till kommer STEPS att fortsätta främja mångfalden, tillämpa konvergensforskning och främja hållbarheten för fosfor. Genom att göra det kommer centret att förbereda eleverna att arbeta med komplexa, tvärvetenskapliga problem och upptäcka grundläggande kunskaper för att skapa en säkrare och hälsosammare miljö för alla.

Ursprunglig artikelkälla: WRAL