未来的肥料

一个剪切能源使用，保护水并帮助农民的格里普4PSI项目

生产氮肥消耗约1％以及大量的天然气。把肥料从工厂运到农场需要额外的能量。虽然农民向农田施肥以确保作物获得所需的营养，但通常有些地区获得的肥料过多，导致径流污染水源。

但这可能会改变 - 很快。NC国家的一支跨学科团队在雄心勃勃的三年项目中阐述，以解决所有这些问题等等。

该团队由卡塔琳娜·斯塔佩尔曼(Katharina Stapelmann)领导，她是北卡罗来纳州的一名研究员核工程系。该团队的目标是完全重新思考氮基肥料是如何生产和使用的。他们的方法有两部分。首先，该团队正在测试多种农业肥料生产方法。其次，研究人员正在开发一种按需，精确的“灌溉”系统。施肥是在用于灌溉的水中递送肥料的过程。

施塔珀尔曼说:“化肥生产是世界上最大的电力消耗国之一。“我们的肥料生产系统不会是无能源的;我们也需要能量。但是我们的系统会在灌溉过程中添加肥料，只有在植物需要氮的时候才会添加，这样浪费和径流就会少得多。因为作物将获得最佳数量的肥料和水，我们预计该系统也将提高产量。”

Stapelmann补充说，初步估计该系统可能会在一两年内收回成本，因为农民将不得不购买更少的肥料，作物产量将会增加。就像原油一样，肥料的价格会因供求关系而大幅波动，而精确施肥系统将减少这种不确定性。

该项目是北卡罗来纳州立大学选择的四个跨学科GRIP4PSI项目之一研究与创新办公室获得种子资金，以解决世界农业组织确定的农业面临的全球挑战北卡罗莱纳州植物科学计划（NC. PSI）。

重新思考肥料的基础

为了生产肥料，该团队专注于利用可以将空气中氮的细菌转化为铵，一种氮植物可以容易地使用。NC国家研究人员道格叫和艾米Grunden将领导这部分的项目。通过在一个类似电池的系统中为一种特定类型的细菌提供一点点电力，科尔和格伦登的团队已经证明，他们可以增加细菌产生的铵的数量。该团队正在优化细菌菌株和用于增加铵产量的电池样装置。

该项目的单独部分正在寻找用血浆处理水，一种在霓虹灯和闪电中常见的电离气体。该过程产生硝酸盐和亚硝酸盐，该植物可用于促进其生长。Stapelmann的团队将用两种不同的等离子体来治疗水，以确定处理过的水对植物及其有用的微生物的影响。

研究小组的下一步是将细菌产生的铵和等离子体处理过的水结合到一个完整的施肥系统中。初步试验将对这种新型施肥系统进行试验拟南芥，科学家们经常用来推进我们对植物生物学的理解的小植物。然后研究人员将继续前进为温室生长的西红柿和生菜，然后最终在玉米和大豆上测试新技术湖惠勒路领域实验室。

格伦登说:“我希望在三年内，我们可以扩大这两项技术的规模，并证明它们可以与传统化肥生产相媲美，甚至更好。”

“其次，我们想了解作物对肥料的反应，包括生长和生产水平，以及影响生长、生产力和安全性的植物和微生物的相互作用。”

项目的第三部分将是开发和测试用于监测土壤水和氮含量的传感器。Chadi Sayde是生物与农业工程，将领导该项目的这一部分。Sayde具有纤维光学型土壤传感器，可以每四个或五英寸尺寸测量水分含量，可达六英里。Sayde将开发类似的光纤型土壤传感器来检测硝酸盐和铵，并工作以使两个传感器适应用户友好的系统。

最终，该团队将设计一项总体系统，这些系统将与灌溉系统产生的土壤传感器和肥料产生的肥料，以精确地应用所需的肥料和水，这是一种称为精确灌溉的过程。为确保其系统的可行性，该团队还将测试系统发育流量的植物生产的食物的安全性和质量，以及系统的经济可行性。

以跨学科研究拓展视野

施塔珀尔曼的团队由来自三所学院的12名教师组成，其中包括工程学院那农业与生命科学学院和自然资源学院。

当Stapelmann和Sayde在新的教师定位时，精密灌溉系统的概念近三年前开始。

“塞德说的是他正在开发的湿度传感器，”斯塔珀尔曼说。“我当时在安装一个等离子体设备，用于水处理，它可以产生肥料。我们刚刚开始讨论按需施肥。”

大约18个月后，植物科学倡议举办了一个网络会议，来自大学的100多名教师简要描述了他们目前的研究和研究愿望。

就是在这里，斯塔珀尔曼和塞德遇到了玛赛拉·罗贾斯-皮尔斯，一位植物和微生物生物学系谁负责最初的受精测试拟南芥植物。Stapelmann表示，Sayde已经遇到了Grunden，并且在那里刚刚从那里获得了校园的研究差距和招募专家，以满足这些需求，Stapelmann说。“现在是两个人现在开始的是一个12调查员项目！”

12名教员将共同指导4名研究生。参与该项目的9个部门正在为学生的学费和福利提供额外的支持。

该团队还计划向来自代表性不足和服务不足群体的高中学生介绍新技术和系统，这些新技术和系统涉及按需、精确的施肥创造对农业和生命科学的认识，学位计划和发现(CAALS 3-D)程序青年核工程研究人员暑期项目, Stapelmann说。

“我从不独自在实验室做任何事情;我的研究总是跨学科的，”斯塔佩尔曼补充道。“我真的很喜欢，也很享受。你开阔了眼界，有了很多新鲜的想法。你可以用血浆做很多事情，但我对植物一无所知。我与那些知道自己在做什么的人合作，以推进研究并了解更多。”

GRIP4PSI种子资助项目是基于研究和创新办公室2016年的报告游戏改变研究激励计划（紧握）。新计划由研发办公室与农业和生命科学学院，工程学院，自然资源学院，科学学院，威尔逊纺织学院，龙掌科技学院执行副校长办公室和普罗峰，以及肯南工程，技术和科学研究所。GRIP4PSI旨在支持有远见的想法，将导致大规模的资金，有意义的影响，未来的研究和一流的跨学科研究生教育和培训。

staapelmann说，几家大公司对这个项目表示了兴趣和支持。一家国际化肥公司尤其看到了合作的潜力。

Stapelmann希望GRIP4PSI种子融资产生的结果将导致联邦机构和主要慈善基金会的额外资金。

我们的跨学科研究解决了大挑战。

这篇文章是最初发表农业和生命科学学院新闻。