北卡羅來納州在全球農業產業的管理中發揮關鍵作用

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羅利 – 磷對所有生物都至關重要，是 DNA 和細胞能量貨幣的組成部分之一…

糧食供應依賴磷肥，但其使用效率低且不可持續：開採不可再生的磷酸鹽礦床，食品系統中使用的磷中只有 20% 進入人類飲食。

大部分磷滲入土壤和淡水中，成為一種污染物，殺死動物、滋長藻類並擴大沿海死亡區。失去平衡，這一重要元素可能會結束生命。

這 磷可持續性科學與技術 (STEPS) 中心致力於發現和開發回收磷的方法，使我們的食品系統更加高效，並保護環境免受浪費。 STEPS 中心總部位於北卡羅來納州，由國家科學基金會授予 2021 年 10 月推出 經過四年的準備。它已經增進了全球對磷可持續性的了解。

「這是非常有吸引力和令人滿意的，因為我們對STEPS 有這樣的願景，現在我們正在實施，」該中心的聯合副主任、北卡羅來納州立大學教員學者兼植物和微生物生物學教授Ross Sozzani說。 “看到事情步入正軌真是令人興奮。”

探索階梯中心
STEPS 中心總部位於北卡羅來納州，由多個機構組成，致力於研究磷利用的可持續解決方案。

STEPS 由北卡羅來納州立大學領導，以Centennial 校區為基礎，在全國範圍內還包括另外八所院校：阿巴拉契亞州立大學、亞利桑那州立大學、馬凱特大學、北卡羅來納州A&T 州立大學、RTI International、佛羅裡達大學、伊利諾大學厄巴納分校-尚佩恩和北卡羅萊納大學格林斯伯勒分校。該中心在 COVID-19 大流行期間、秋季學期中期、其總部植物科學大樓建設完工之前獲得了該獎項。

「我們在非常困難的條件下建立了國家科學基金會授予的最負盛名的中心之一，」STEPS 中心主任、北卡羅來納州立大學材料科學與工程系神戶製鋼所傑出教授雅各布·瓊斯( Jacob Jones) 說。 「但是在啟動中心時團隊的參與和協作超出了我的預期。我們讓人們與該中心進行實體和虛擬互動。經過四年的努力，這非常令人興奮。

由於磷的可持續性是一個複雜的問題，STEPS 依賴技能和學科的多樣性。該中心的研究重點是探索性、受使用啟發的基礎研究，從分子和材料尺度到人類如何與技術相互作用，再到磷可持續性對全球經濟和社會的影響。

該中心的重點領域之一是融合資訊學，其中涉及獲取大量信息，將不同的數據集融合在一起，並使用機器學習演算法為下一步研究提供資訊。融合資訊學利用數據科學來評估和預測新材料、技術和策略。在STEPS，研究人員利用這些策略來研究磷捕獲以及磷化合物的分解和改質。該中心將創造並傳播有關磷可持續性的新知識。

「我們的目標不是創建和部署單一的技術解決方案，」瓊斯說。 “我們希望創造一些基礎性的發現和發展，幫助整個磷科學界向前發展。”

該中心的運作期限為五年，並有機會再續展五年。外部合作夥伴關係尤其重要，這樣中心即使在獎項結束後也能繼續發現。

「我們現在正在發現新的磷可持續性知識，我們將在第 10 年做到這一點，」瓊斯說。

研究跨學科和規模

STEPS希望在25年內幫助人類減少對開採磷酸鹽的依賴25%，並減少點源和非點源磷對土壤和水資源的損失25%。

STEPS 的三個主題是：材料規模、人類技術規模以及區域和全球規模。具體領域包括但絕不限於化學、物理學、動物科學、生物工程、生態學、社會學和公共政策。

「我們的研究人員正在進行各種各樣的工作——他們坐在顯微鏡前觀察顆粒，前往廢水處理設施收集樣本，使用濕化學實驗室合成新材料，使用計算技術模擬生物分子，以及檢查磷如何存在的空間圖。

我們希望創造一些基礎性的發現和發展，幫助整個磷科學界向前發展。

中心的第一個研究主題是在材料層面，是發現和開發新的無機、有機和仿生材料，以從液體和固體中釋放、捕獲和回收磷和含磷物質。目前研究計畫的例子包括非反應性磷的化學和生物轉化、使用帶正電的離子回收磷以及磷分析的進步。

第二個研究主題是在人類技術層面上，評估從複雜廢物流中回收磷的技術的可行性，優化土壤特性並提高回收磷酸鹽的生物可用性。目前的研究項目包括將新的磷化合物開發成永續肥料、研究植物磷的遺傳機制以及控制土壤中的遺留磷。

第三個研究主題是在區域和全球範圍內，使用系統級方法來評估在各種替代的社會經濟、政策和環境變化情景下，人類幹預、政策幹預和技術採用如何影響不同規模的磷可持續性。目前的一些研究項目包括制定國家磷預算和地圖、建立基準數據和工具以模擬磷流動，以及評估利害關係人對磷永續性研究的看法和需求。

思想和行動的多元性

尋找如此複雜問題的解決方案需要不同領域、不同背景的研究人員之間的合作。融合資訊學和三個研究主題凸顯了該中心對跨學科研究的承諾。甚至連它的總部植物科學大樓也培養了跨學科文化。

「植物科學大樓使我們能夠將許多教師、學生和博士後聚集在一個中心位置，並為一個非常大和複雜的計畫提供交叉空間，」瓊斯說。在家中進行其他跨學科專案也是有益的。 「大樓裡的任何人都可以從我們的經驗中學習。同樣，我們可以向大樓內的其他項目學習。

「連結多個學科是北卡羅來納州立大學研究事業的重要組成部分，」負責研究營運和交流的副校長兼研究與創新辦公室主任吉納維芙·加蘭 (Genevieve Garland) 說。加蘭領導該辦公室的跨學科研究小組。 「我們的研究人員匯集了不同的技能和專業知識，以真正動態的方式解決問題。透過促進跨學科舉措，北卡羅來納州立大學為複雜的全球問題創造了全面、全面的解決方案。

除了研究計畫和主題之外，STEPS 在多元化方面還有一個雄心勃勃的目標：其擴大參與的目標是讓超過 50% 的參與個人來自代表性不足的群體。文化、觀點和經驗的多樣性帶來原創性、創新性的研究。這個目標需要充分利用北卡羅來納州立大學在畢業生招聘、服務欠缺社區的外展以及STEPS中心和北卡羅來納州立大學的多樣性願景之間的一致性方面所提供的一切。

瓊斯說：“這所大學確實全心全意地相信多樣性和跨學科性，這是 STEPS 和北卡羅來納州立大學之間的良好合作夥伴關係。” “我們有擴大參與的目標，因為我們知道帶來不同的經驗和觀點可以促進創新。”

至少在接下來的四年裡，STEPS 將繼續促進多樣性，應用融合研究並推動磷的可持續性。在此過程中，該中心將為學生解決複雜的跨學科問題做好準備，並發現基礎知識，為所有人創造一個更安全、更健康的環境。

原文來源： WRAL