Stan NC odgrywa kluczową rolę w zarządzaniu światowym przemysłem rolniczym

RALEIGH – Fosfor jest niezbędny dla wszystkich żywych istot, jest jednym z elementów DNA i waluty energetycznej komórek.…

Dostawy żywności opierają się na nawozach fosforowych, ale ich stosowanie jest nieefektywne i niezrównoważone: wydobywa się nieodnawialne złoża fosforanów i jedynie 20% fosforu wykorzystywanego w systemie żywnościowym trafia do diety człowieka.

Znaczna część fosforu przedostaje się do gleby i słodkiej wody, stając się substancją zanieczyszczającą, która zabija zwierzęta, powoduje wzrost zakwitów glonów i rozszerza przybrzeżne martwe strefy. Brak równowagi tego istotnego elementu może zakończyć życie.

The Nauka i technologie na rzecz zrównoważonego rozwoju fosforu (STEPS) Centrum pracuje nad odkryciem i opracowaniem sposobów recyklingu fosforu, zwiększenia wydajności naszego systemu żywnościowego i ochrony środowiska przed odpadami. Centrum STEPS, z siedzibą w stanie NC i nagrodzone przez Narodową Fundację Nauki, było uruchomiony w październiku 2021 r po czterech latach przygotowań. Już teraz przyczynia się to do pogłębienia globalnej wiedzy na temat zrównoważonego rozwoju w zakresie fosforu.

„Było to bardzo wciągające i satysfakcjonujące, ponieważ mieliśmy taką wizję projektu STEPS, a teraz przechodzimy do jej wdrażania” – powiedział Ross Sozzani, współzastępca dyrektora centrum, stypendysta Wydziału Uniwersytetu NC oraz profesor biologii roślin i drobnoustrojów. „To ekscytujące widzieć, jak wszystko układa się na swoim miejscu”.

ODKRYJ CENTRUM STEPS
Centrum STEPS z siedzibą w stanie NC składa się z kilku instytucji zajmujących się badaniem zrównoważonych rozwiązań w zakresie wykorzystania fosforu.

Kierowany przez NC State i oparty na kampusie Centennial Campus, STEPS obejmuje osiem dodatkowych instytucji w całym kraju: Appalachian State University, Arizona State University, Marquette University, North Carolina A&T State University, RTI International, University of Florida, University of Illinois at Urbana -Champaign i Uniwersytet Karoliny Północnej w Greensboro. Centrum zostało nagrodzone w czasie pandemii Covid-19, w połowie semestru jesiennego i przed ukończeniem budowy swojej macierzystej bazy – Plant Sciences Building.

„Dotarliśmy do jednego z najbardziej prestiżowych ośrodków wyróżnionych przez National Science Foundation w naprawdę trudnych warunkach” – powiedział Jacob Jones, dyrektor Centrum STEPS i wybitny profesor nauk o materiałach i inżynierii Kobe Steel na Uniwersytecie NC. „Ale zaangażowanie i współpraca zespołu przy uruchomieniu centrum przerosło moje oczekiwania. Mamy ludzi, którzy wchodzą w interakcję z centrum fizycznie i wirtualnie. Po czterech latach pracy nad tym filmem stwierdziłem, że jest to naprawdę ekscytujące”.

Ponieważ zrównoważony rozwój fosforu jest kwestią złożoną, projekt STEPS opiera się na różnorodności zarówno umiejętności, jak i przedmiotów. Badania centrum koncentrują się na eksploracyjnych, inspirowanych zastosowaniami badaniach podstawowych, począwszy od skali molekularnej i materiałowej, poprzez interakcję człowieka z technologią, aż po globalne skutki gospodarcze i społeczne zrównoważonego rozwoju fosforu.

Jednym z obszarów zainteresowania centrum jest informatyka konwergencji, która polega na pobieraniu znacznych ilości informacji, łączeniu różnych zbiorów danych i wykorzystywaniu algorytmów uczenia maszynowego do informowania o kolejnych etapach badań. Informatyka konwergencji wykorzystuje naukę danych do oceny i przewidywania nowych materiałów, technologii i strategii. W projekcie STEPS naukowcy wykorzystują te strategie do badania wychwytywania fosforu, a także rozkładu i modyfikacji związków fosforu. Centrum będzie tworzyć i rozpowszechniać nową wiedzę na temat zrównoważonego rozwoju w zakresie fosforu.

„Celem nie jest tworzenie i wdrażanie pojedynczych rozwiązań technologicznych” – powiedział Jones. „Chcemy dokonać szeregu fundamentalnych odkryć i osiągnięć, które pomogą całej społeczności naukowej zajmującej się fosforem iść do przodu”.

Czas działania centrum wynosi pięć lat, z możliwością przedłużenia na kolejne pięć lat. Partnerstwa zewnętrzne są szczególnie ważne, aby ośrodek mógł nadal dokonywać odkryć nawet po zakończeniu nagrody.

„Odkrywamy teraz nową wiedzę na temat zrównoważonego rozwoju w zakresie fosforu i zrobimy to w 10 roku” – powiedział Jones.

BADANIA OBEJMUJĄCE TEMATYKĘ I SKALĘ

Uczestnicy projektu STEPS mają nadzieję w ciągu 25 lat pomóc w zmniejszeniu zależności człowieka od wydobywanych fosforanów o 25% i zmniejszeniu strat punktowych i niepunktowych źródeł fosforu do gleby i zasobów wodnych o 25%.

Trzy tematy skupiają się na STEPS: skala materiałowa, skala człowieka i technologii oraz skala regionalna i globalna. Konkretne dziedziny obejmują między innymi chemię, fizykę, nauki o zwierzętach, bioinżynierię, ekologię, socjologię i politykę publiczną.

„Nasi badacze wykonują różnorodne prace — siedzą przed mikroskopami i przyglądają się cząstkom, udają się do oczyszczalni ścieków w celu pobrania próbek, korzystają z mokrych laboratoriów chemicznych do syntezy nowych materiałów, symulują cząsteczki biologiczne przy użyciu technik obliczeniowych i badają przestrzenne mapy rozkładu fosforu dystrybuowane w całych Stanach Zjednoczonych – to tylko kilka przykładów” – powiedział Sozzani.

Chcemy dokonać szeregu fundamentalnych odkryć i osiągnięć, które pomogą całej społeczności naukowej zajmującej się fosforem iść do przodu.

Pierwszym tematem badawczym centrum w skali materiałowej jest odkrywanie i opracowywanie nowych materiałów nieorganicznych, organicznych i inspirowanych biologią w celu uwalniania, wychwytywania i odzyskiwania fosforu i związków zawierających fosfor zarówno z cieczy, jak i ciał stałych. Przykłady bieżących projektów badawczych obejmują chemiczne i biologiczne przemiany niereaktywnego fosforu, odzyskiwanie fosforu przy użyciu dodatnio naładowanych jonów oraz rozwój analityki fosforu.

Drugi temat badawczy, w skali człowieka i technologii, ocenia przydatność technologii odzyskiwania fosforu ze złożonych strumieni odpadów, optymalizuje właściwości gleby i poprawia biodostępność odzyskiwanych fosforanów. Obecne projekty badawcze obejmują opracowanie nowych związków fosforu w zrównoważonym nawozie, badanie mechanizmów genetycznych w fosforze roślinnym i kontrolowanie pozostałości fosforu w glebie.

Trzeci temat badawczy, w skali regionalnej i globalnej, polega na zastosowaniu podejścia na poziomie systemowym do oceny, w jaki sposób interwencja człowieka, interwencja polityczna i przyjęcie technologii mogą wpłynąć na zrównoważony rozwój fosforu w różnych skalach w ramach różnych alternatywnych scenariuszy zmian społeczno-gospodarczych, politycznych i środowiskowych. Niektóre obecne projekty badawcze obejmują utworzenie krajowego budżetu i mapy w zakresie fosforu, ustalenie podstawowych danych i narzędzi w celu symulacji przepływów fosforu oraz ocenę percepcji i potrzeb zainteresowanych stron w zakresie badań nad zrównoważonym rozwojem fosforu.

RÓŻNORODNOŚĆ MYŚLI I DZIAŁAŃ

Znalezienie rozwiązań tak złożonego problemu wymaga współpracy badaczy z różnych dziedzin i o różnym doświadczeniu. Informatyka konwergencji i trzy tematy badawcze podkreślają zaangażowanie centrum w badania interdyscyplinarne. Nawet jego główna baza, Plant Sciences Building, sprzyja kulturze interdyscyplinarności.

„Budynek Plant Sciences pozwala nam zgromadzić w centralnej lokalizacji wielu wykładowców, studentów i doktorantów, a także zapewnia przestrzeń przekrojową dla bardzo dużego i złożonego projektu” – powiedział Jones. A dobrze jest przebywać w domu z innymi interdyscyplinarnymi projektami. „Każdy w tym budynku może uczyć się na podstawie naszych doświadczeń. Podobnie możemy uczyć się od innych projektów w tym budynku.”

„Łączenie kilku dyscyplin jest istotną częścią działalności badawczej NC State” – powiedziała Genevieve Garland, zastępca kanclerza ds. operacji badawczych i komunikacji oraz szefowa personelu Biura Badań i Innowacji. Garland kieruje Interdyscyplinarnym Działem Badań w biurze. „Nasi badacze łączą różne umiejętności i wiedzę, aby rozwiązywać problemy w naprawdę dynamiczny sposób. Wspierając inicjatywy interdyscyplinarne, NC State tworzy całościowe, kompleksowe rozwiązania skomplikowanych problemów globalnych.

Poza projektami badawczymi i tematyką STEPS ma ambitny cel w zakresie różnorodności: celem poszerzania uczestnictwa jest zapewnienie, aby ponad 50% zaangażowanych osób pochodziło z grup niedostatecznie reprezentowanych. Różnorodność kultury, perspektywy i doświadczenia prowadzi do oryginalnych, innowacyjnych badań. Cel ten wymaga wykorzystania wszystkiego, co stan NC ma do zaoferowania w zakresie rekrutacji absolwentów, docierania do społeczności o niedostatecznym wsparciu oraz dostosowania wizji różnorodności Centrum STEPS i stanu NC.

„Uniwersytet naprawdę całym sercem wierzy w różnorodność i interdyscyplinarność, co stanowi wspaniałe partnerstwo między STEPS i NC State” – powiedział Jones. „Mamy na celu poszerzanie uczestnictwa, ponieważ wiemy, że wnoszenie różnorodnych doświadczeń i perspektyw sprzyja innowacjom”.

Przez co najmniej cztery kolejne lata w ramach projektu STEPS będą nadal działać na rzecz różnorodności, stosując badania nad konwergencją i poprawiając zrównoważony rozwój fosforu. W ten sposób centrum przygotuje studentów do pracy nad złożonymi, interdyscyplinarnymi problemami i odkryje podstawową wiedzę niezbędną do stworzenia bezpieczniejszego i zdrowszego środowiska dla wszystkich.

Oryginalne źródło artykułu: WRAL