北卡罗来纳州在全球农业产业的管理中发挥着关键作用

2022 年 6 月 14 日

罗利 – 磷对所有生物都至关重要，是 DNA 和细胞能量货币的组成部分之一。

粮食供应依赖于磷肥，但其使用效率低下且不可持续：开采不可再生的磷酸盐矿床，食品系统中使用的磷中只有 20% 进入人类饮食。

很大一部分磷渗入土壤和淡水中，成为一种污染物，杀死动物、滋长藻类并扩大沿海死亡区。失去平衡，这一重要元素可能会结束生命。

这磷可持续性科学与技术 (STEPS) 中心致力于发现和开发回收磷的方法，使我们的食品系统更加高效，并保护环境免受浪费。 STEPS 中心总部位于北卡罗来纳州，由国家科学基金会授予 2021 年 10 月推出经过四年的准备。它已经增进了全球对磷可持续性的了解。

“这是非常有吸引力和令人满意的，因为我们对 STEPS 有这样的愿景，现在我们正在实施，”该中心的联合副主任、北卡罗来纳州立大学教员学者兼植物和微生物生物学教授 Ross Sozzani 说。 “看到事情步入正轨真是令人兴奋。”

探索阶梯中心
STEPS 中心总部位于北卡罗来纳州，由多个机构组成，致力于研究磷利用的可持续解决方案。

STEPS 由北卡罗来纳州立大学领导，以 Centennial 校区为基础，包括全国另外八所机构：阿巴拉契亚州立大学、亚利桑那州立大学、马凯特大学、北卡罗来纳州 A&T 州立大学、RTI International、佛罗里达大学、伊利诺伊大学厄巴纳分校-尚佩恩和北卡罗来纳大学格林斯伯勒分校。该中心在 COVID-19 大流行期间、秋季学期中期、其总部植物科学大楼建设完工之前获得了该奖项。

“我们在非常困难的条件下建立了国家科学基金会授予的最负盛名的中心之一，”STEPS 中心主任、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系神户制钢所杰出教授雅各布·琼斯 (Jacob Jones) 说。 “但是在启动该中心时团队的参与和协作超出了我的预期。我们让人们与该中心进行物理和虚拟互动。经过四年的努力，这非常令人兴奋。”

由于磷的可持续性是一个复杂的问题，STEPS 依赖于技能和学科的多样性。该中心的研究重点是探索性、受使用启发的基础研究，范围从分子和材料尺度到人类如何与技术相互作用，再到磷可持续性对全球经济和社会的影响。

该中心的重点领域之一是融合信息学，其中涉及获取大量信息，将不同的数据集融合在一起，并使用机器学习算法为下一步研究提供信息。融合信息学利用数据科学来评估和预测新材料、技术和策略。在STEPS，研究人员利用这些策略来研究磷捕获以及磷化合物的分解和改性。该中心将创造并传播有关磷可持续性的新知识。

“我们的目标不是创建和部署单一的技术解决方案，”琼斯说。 “我们希望创造一些基础性的发现和发展，帮助整个磷科学界向前发展。”

该中心的运行期限为五年，并有机会再续展五年。外部合作伙伴关系尤其重要，这样中心即使在奖项结束后也能继续做出发现。

“我们现在正在发现新的磷可持续性知识，我们将在第 10 年做到这一点，”琼斯说。

研究跨学科和规模

STEPS希望在25年内帮助人类减少对开采磷酸盐的依赖25%，并减少点源和非点源磷对土壤和水资源的损失25%。

STEPS 的三个主题是：材料规模、人类技术规模以及区域和全球规模。具体领域包括但绝不限于化学、物理学、动物科学、生物工程、生态学、社会学和公共政策。

“我们的研究人员正在进行各种各样的工作——他们坐在显微镜前观察颗粒，前往废水处理设施收集样本，使用湿化学实验室合成新材料，使用计算技术模拟生物分子，以及检查磷如何存在的空间图。分布在美国各地——仅举几个例子，”索扎尼说。

我们希望创造一些基础性的发现和发展，帮助整个磷科学界向前发展。

该中心的第一个研究主题是在材料层面，是发现和开发新的无机、有机和仿生材料，以从液体和固体中释放、捕获和回收磷和含磷物质。当前研究项目的例子包括非反应性磷的化学和生物转化、使用带正电的离子回收磷以及磷分析的进步。

第二个研究主题是在人类技术层面上，评估从复杂废物流中回收磷的技术的可行性，优化土壤特性并提高回收磷酸盐的生物可利用性。目前的研究项目包括将新的磷化合物开发成可持续肥料、研究植物磷的遗传机制以及控制土壤中的遗留磷。

第三个研究主题是在区域和全球范围内，使用系统级方法来评估在各种替代的社会经济、政策和环境变化情景下，人类干预、政策干预和技术采用如何影响不同规模的磷可持续性。目前的一些研究项目包括制定国家磷预算和地图、建立基线数据和工具以模拟磷流动，以及评估利益相关者对磷可持续性研究的看法和需求。

思想和行动的多样性

寻找如此复杂问题的解决方案需要不同领域、不同背景的研究人员之间的合作。融合信息学和三个研究主题凸显了该中心对跨学科研究的承诺。甚至它的总部植物科学大楼也培育了跨学科文化。

“植物科学大楼使我们能够将许多教师、学生和博士后聚集在一个中心位置，并为一个非常大和复杂的项目提供交叉空间，”琼斯说。在家中进行其他跨学科项目也是有益的。 “大楼里的任何人都可以从我们的经验中学习。同样，我们可以向大楼内的其他项目学习。”

“连接多个学科是北卡罗来纳州立大学研究事业的重要组成部分，”负责研究运营和交流的副校长兼研究与创新办公室主任吉纳维夫·加兰（Genevieve Garland）说。加兰领导该办公室的跨学科研究小组。 “我们的研究人员汇集了不同的技能和专业知识，以真正动态的方式解决问题。通过促进跨学科举措，北卡罗来纳州立大学为复杂的全球问题创造了全面、综合的解决方案。”

除了研究项目和主题之外，STEPS 在多样性方面还有一个雄心勃勃的目标：其扩大参与的目标是让超过 50% 的参与个人来自代表性不足的群体。文化、观点和经验的多样性带来原创性、创新性的研究。这一目标需要充分利用北卡罗来纳州立大学在毕业生招聘、服务欠缺社区的外展以及STEPS中心和北卡罗来纳州立大学的多样性愿景之间的一致性方面所提供的一切。

琼斯说：“这所大学确实全心全意地相信多样性和跨学科性，这是 STEPS 和北卡罗来纳州立大学之间的良好合作伙伴关系。” “我们有扩大参与的目标，因为我们知道带来不同的经验和观点可以促进创新。”

至少在接下来的四年里，STEPS 将继续促进多样性，应用融合研究并推进磷的可持续性。在此过程中，该中心将为学生解决复杂的跨学科问题做好准备，并发现基础知识，为所有人创造一个更安全、更健康的环境。

原文来源： WRAL