STEPS Center befasst sich mit dem gesamten Umfang der Nachhaltigkeit von Phosphor

By | June 6, 2022
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Phosphor ist für alle Lebewesen essentiell, einer der Bausteine ​​der DNA und der Energiewährung der Zellen. Die Lebensmittelversorgung ist auf Phosphordünger angewiesen, aber ihre Verwendung ist ineffizient und nicht nachhaltig: Nicht erneuerbare Phosphatvorkommen werden abgebaut, und nur 20 % des im Lebensmittelsystem verwendeten Phosphors gelangen in die menschliche Ernährung. Ein erheblicher Teil des Phosphors sickert in Böden und Süßwasser und wird zu einer Verunreinigung, die Tiere tötet, Algenblüten wachsen lässt und tote Zonen an der Küste ausdehnt. Aus dem Gleichgewicht kann dieses lebenswichtige Element das Leben beenden.

Das Science and Technologies for Phosphorus Sustainability (STEPS) Center arbeitet daran, Wege zu entdecken und zu entwickeln, um Phosphor zu recyceln, unser Lebensmittelsystem effizienter zu machen und die Umwelt vor Abfall zu schützen. Das STEPS Center mit Hauptsitz in NC State und ausgezeichnet von der National Science Foundation wurde im Oktober 2021 nach vierjähriger Vorbereitung ins Leben gerufen. Es trägt bereits zum globalen Verständnis über die Nachhaltigkeit von Phosphor bei.

„Es war sehr ansprechend und erfüllend, weil wir diese Vision für STEPS hatten, und jetzt gehen wir die Umsetzung durch“, sagte Ross Sozzani, stellvertretender Direktor des Zentrums und Stipendiat der Fakultät der NC State University sowie Professor für Pflanzen- und Mikrobenbiologie. „Es ist spannend zu sehen, wie sich die Dinge fügen.“

STEPS wird von NC State geführt und basiert auf dem Centennial Campus und umfasst acht weitere Institutionen im ganzen Land: 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 und der University of North Carolina in Greensboro. Das Zentrum wurde während der COVID-19-Pandemie mitten im Herbstsemester und vor Abschluss des Baus seiner Heimatbasis, des Plant Sciences Building, vergeben.

„Wir haben eines der prestigeträchtigsten Zentren, die die National Science Foundation vergibt, unter wirklich schwierigen Bedingungen gefunden“, sagte Jacob Jones, Direktor des STEPS-Zentrums und Kobe Steel Distinguished Professor of Materials Science and Engineering am NC State. „Aber das Engagement und die Zusammenarbeit des Teams beim Start des Zentrums hat meine Erwartungen übertroffen. Wir haben Leute, die physisch und virtuell mit dem Zentrum interagieren. Nachdem ich vier Jahre daran gearbeitet habe, war es ziemlich aufregend.“

Da die Nachhaltigkeit von Phosphor ein komplexes Thema ist, setzt STEPS auf Vielfalt in Fähigkeiten und Fächern gleichermaßen. Die Forschung des Zentrums konzentriert sich auf explorative, anwendungsorientierte Grundlagenforschung, die von der molekularen und materiellen Ebene über die Interaktion des Menschen mit Technologie bis hin zu den globalen wirtschaftlichen und sozialen Auswirkungen der Nachhaltigkeit von Phosphor reicht.

Ross Sozzani, links, und Jacob Jones
Ross Sozzani (links) und Jacob Jones untersuchen Pflanzenproben im Plant Sciences Building.

Einer der Schwerpunkte des Zentrums ist die Konvergenzinformatik, bei der eine beträchtliche Menge an Informationen zusammengeführt, verschiedene Datensätze zusammengeführt und maschinelle Lernalgorithmen verwendet werden, um die nächsten Forschungsschritte zu informieren. Konvergenzinformatik nutzt Data Science, um neue Materialien, Technologien und Strategien zu bewerten und vorherzusagen. Bei STEPS verwenden Forscher diese Strategien, um die Phosphorbindung sowie den Abbau und die Modifikation von Phosphorverbindungen zu untersuchen. Das Zentrum wird neues Wissen über die Nachhaltigkeit von Phosphor schaffen und verbreiten.

„Das Ziel besteht nicht darin, einzelne Technologielösungen zu entwickeln und einzusetzen“, sagte Jones. „Wir wollen eine Reihe grundlegender Entdeckungen und Entwicklungen schaffen, die der gesamten Phosphor-Wissenschaftsgemeinschaft helfen, voranzukommen.“

Das Zentrum hat eine Laufzeit von fünf Jahren mit der Möglichkeit, es um weitere fünf Jahre zu verlängern. Externe Partnerschaften sind besonders wichtig, damit das Zentrum auch nach Ende der Förderung weiter forschen kann.

„Wir entdecken jetzt neues Wissen über Phosphor-Nachhaltigkeit, und das werden wir im 10. Jahr tun“, sagte Jones.

Themen- und skalenübergreifende Forschung

STEPS hofft, innerhalb von 25 Jahren dazu beitragen zu können, die menschliche Abhängigkeit von abgebauten Phosphaten um 25 % zu verringern und die Verluste von punktuellen und nicht punktuellen Phosphorquellen an Böden und Wasserressourcen um 25 % zu reduzieren.

Drei Themen bilden STEPS: Materialmaßstab, Mensch-Technologie-Maßstab sowie regionaler und globaler Maßstab. Zu den spezifischen Bereichen gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Chemie, Physik, Tierwissenschaften, Bioingenieurwesen, Ökologie, Soziologie und öffentliche Ordnung.

„Unsere Forscher führen vielfältige Arbeiten durch – sie sitzen an Mikroskopen und betrachten Partikel, gehen in Abwasserbehandlungsanlagen, um Proben zu sammeln, verwenden Nasschemielabore, um neue Materialien zu synthetisieren, simulieren biologische Moleküle mit Computertechniken und untersuchen räumliche Karten, wie Phosphor ist in den Vereinigten Staaten verbreitet – nur um ein paar Beispiele zu nennen“, sagte Sozzani.

Wir wollen eine Reihe grundlegender Entdeckungen und Entwicklungen schaffen, die der gesamten Phosphor-Wissenschaftsgemeinschaft helfen, voranzukommen.

Das erste Forschungsthema des Zentrums auf Materialebene ist die Entdeckung und Entwicklung neuer anorganischer, organischer und bioinspirierter Materialien, um Phosphor und phosphorhaltige Spezies sowohl aus Flüssigkeiten als auch aus Feststoffen freizusetzen, einzufangen und zurückzugewinnen. Beispiele für aktuelle Forschungsprojekte sind die chemische und biologische Umwandlung von nicht reaktivem Phosphor, die Rückgewinnung von Phosphor durch positiv geladene Ionen und die Weiterentwicklung der Phosphoranalytik.

Das zweite Forschungsthema auf der Mensch-Technologie-Skala bewertet die Realisierbarkeit von Technologien zur Rückgewinnung von Phosphor aus komplexen Abfallströmen, optimiert die Bodeneigenschaften und verbessert die Biozugänglichkeit zurückgewonnener Phosphate. Aktuelle Forschungsprojekte umfassen die Entwicklung neuer Phosphorverbindungen zu einem nachhaltigen Düngemittel, die Untersuchung genetischer Mechanismen in Pflanzenphosphor und die Kontrolle von Altphosphor in Böden.

Das dritte Forschungsthema auf regionaler und globaler Ebene besteht darin, einen Ansatz auf Systemebene zu verwenden, um zu bewerten, wie menschliche Eingriffe, politische Eingriffe und Technologieübernahmen die Nachhaltigkeit von Phosphor auf verschiedenen Ebenen unter verschiedenen alternativen sozioökonomischen, politischen und ökologischen Veränderungsszenarien beeinflussen könnten. Einige aktuelle Forschungsprojekte umfassen die Erstellung eines nationalen Phosphorbudgets und einer Karte, die Erstellung von Basisdaten und -instrumenten zur Simulation von Phosphorflüssen und die Bewertung der Wahrnehmungen und Bedürfnisse der Interessengruppen in der Phosphor-Nachhaltigkeitsforschung.

Vielfalt im Denken und Handeln

Um Lösungen für ein so komplexes Problem zu finden, ist die Zusammenarbeit von Forschern auf verschiedenen Gebieten und mit unterschiedlichem Hintergrund erforderlich. Konvergenzinformatik und die drei Forschungsthemen unterstreichen das Engagement des Zentrums für interdisziplinäre Forschung. Auch die Heimatbasis, das Plant Sciences Building, pflegt eine Kultur der Interdisziplinarität.

„Das Plant Sciences Building ermöglicht es uns, an einem zentralen Ort viele Fakultäten, Studenten und Postdocs zusammenzubringen, und bietet intersektionalen Raum für ein sehr großes und komplexes Projekt“, sagte Jones. Und es ist von Vorteil, mit anderen interdisziplinären Projekten in einem Zuhause zu sein. „Jeder im Gebäude kann von unseren Erfahrungen lernen. Ebenso können wir von den anderen Projekten im Gebäude lernen.“

„Die Verbindung mehrerer Disziplinen ist ein wesentlicher Bestandteil des Forschungsunternehmens von NC State“, sagte Genevieve Garland, stellvertretende Vizekanzlerin für Forschungsbetrieb und Kommunikation und Stabschefin des Büros für Forschung und Innovation. Garland leitet die interdisziplinäre Forschungseinheit des Büros. „Unsere Forscher bringen unterschiedliche Fähigkeiten und Fachkenntnisse zusammen, um Probleme auf wirklich dynamische Weise zu lösen. Durch die Förderung interdisziplinärer Initiativen schafft NC State ganzheitliche, umfassende Lösungen für komplizierte globale Probleme.“

Jenseits von Forschungsprojekten und Themen hat STEPS ein ehrgeiziges Ziel in Bezug auf Diversität: Sein breiteres Beteiligungsziel ist es, dass mehr als 50 % der beteiligten Personen aus unterrepräsentierten Gruppen stammen. Kulturelle Vielfalt, Perspektiven und Erfahrungen führen zu origineller, innovativer Forschung. Dieses Ziel erfordert es, alles zu nutzen, was NC State in Bezug auf die Rekrutierung von Absolventen, die Kontaktaufnahme zu unterversorgten Gemeinschaften und die Angleichung der Diversitätsvisionen des STEPS Center und des NC State zu bieten hat.

„Die Universität glaubt wirklich von ganzem Herzen an Vielfalt und Interdisziplinarität, und dies ist eine großartige Partnerschaft zwischen STEPS und NC State“, sagte Jones. „Wir haben dieses Ziel, die Beteiligung zu erweitern, weil wir wissen, dass das Einbringen unterschiedlicher Erfahrungen und Perspektiven Innovationen fördert.“

Für mindestens vier weitere Jahre wird STEPS die Diversität fördern, Konvergenzforschung anwenden und die Nachhaltigkeit von Phosphor vorantreiben. Auf diese Weise bereitet das Zentrum die Studierenden darauf vor, an komplexen, interdisziplinären Problemen zu arbeiten und grundlegendes Wissen zu erwerben, um eine sicherere und gesündere Umgebung für alle zu schaffen.

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