STEPS中心全面解决磷的可持续性问题

磷对所有生物都是必不可少的，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，但磷肥的使用效率低下且不可持续:不可再生的磷矿被开采出来，粮食系统中使用的磷只有20%进入人类饮食。很大一部分磷会渗入土壤和淡水，成为一种污染物，杀死动物，导致藻类大量繁殖，并扩大沿海死亡区。失去平衡，这个至关重要的元素可能会导致生命的终结。

磷可持续发展科学与技术中心(STEPS)致力于发现和开发磷回收的方法，使我们的食物系统更有效率，并保护环境免受垃圾污染。总部位于北卡罗来纳州，由国家科学基金会授予，经过四年的筹备，STEPS中心于2021年10月启动。它已经增加了全球对磷的可持续性的理解。

该中心的联合副主任、北卡罗来纳州立大学学者、植物和微生物生物学教授罗斯·索扎尼说:“这非常吸引人，也很有成就感，因为我们对STEPS有这样的愿景，现在我们正在实施。”“看到事情有条不紊，真是令人兴奋。”

STEPS由北卡罗来纳州立大学领导，以百年校园为基础，包括全国其他八所机构:阿巴拉契亚州立大学，亚利桑那州立大学，马凯特大学，北卡罗来纳农工州立大学，RTI国际，佛罗里达大学，伊利诺伊大学香槟分校和北卡罗来纳大学格林斯博罗分校。该中心是在2019冠状病毒病(COVID-19)大流行期间，在秋季学期中期，在其基地植物科学大楼建成之前授予的。

“我们在非常困难的条件下获得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、神户制钢材料科学与工程杰出教授雅各布·琼斯说。“但在启动该中心时，团队的参与和合作超出了我的预期。我们让人们与中心进行实体和虚拟的互动。在为这个项目工作了四年之后，我感到非常兴奋。”

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的、受用途启发的基础研究，范围从分子和材料尺度到人类如何与技术互动，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，这涉及到获取大量信息，融合不同的数据集，并使用机器学习算法来指导研究的下一步。聚合信息学使用数据科学来评估和预测新的材料、技术和策略。在STEPS，研究人员使用这些策略来研究磷的捕获以及磷化合物的分解和修饰。该中心将创造和传播关于磷可持续性的新知识。

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

该中心的运行时间为五年，并有机会再延长五年。外部伙伴关系尤其重要，这样即使在奖励结束后，该中心也可以继续进行发现。

琼斯说:“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。”

研究跨越主题和尺度

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

三个主题的基本步骤:材料规模、人类技术规模、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。

索珊尼说:“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，去废水处理设施收集样本，利用湿化学实验室合成新材料，用计算技术模拟生物分子，检查磷在美国各地分布的空间地图，这些只是几个例子。”

我们希望创造一些基本的发现和发展，帮助整个磷科学界向前发展。

该中心的第一个研究主题，在材料尺度上，是发现和开发新的无机、有机和生物材料，以从液体和固体中释放、捕获和回收磷和含磷物种。目前的研究项目包括非活性磷的化学和生物转化，利用正电荷离子回收磷，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，优化土壤性质，提高回收磷酸盐的生物可及性。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和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，使用系统级方法评估在各种替代社会经济、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在不同尺度上影响磷的可持续性。目前的一些研究项目包括创建国家磷预算和地图，建立基线数据和工具以模拟磷的流动，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

要找到解决如此复杂问题的办法，需要不同领域和不同背景的研究人员的合作。融合信息学和三个研究主题突出了中心对跨学科研究的承诺。即使是它的基地，植物科学大楼，也培养了跨学科的文化。

琼斯说:“植物科学大楼使我们能够在一个中心位置聚集大量的教师、学生和博士后，并为一个非常大而复杂的项目提供交叉空间。”和其他跨学科项目在一起是很有好处的。“大楼里的任何人都可以从我们的经验中学习。同样，我们也可以从建筑中的其他项目中学习。”

“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，”研究运营与沟通副校长、研究与创新办公室的参谋长吉纳维芙·加兰(Genevieve Garland)说。加兰领导着该办公室的跨学科研究部门。“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。通过促进跨学科的举措，北卡州立大学为复杂的全球问题创造了全面的解决方案。”

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50%以上的参与者来自代表性不足的群体。文化、观点和经验的多样性导致了原创性和创新性的研究。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、服务不足社区的外展以及STEPS中心和北卡罗来纳州立大学多样性愿景的一致性方面所提供的一切。

琼斯说:“大学真的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伟大合作伙伴关系。”“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。”

在至少四年的时间里，STEPS将继续促进多样性，应用趋同研究并推进磷的可持续性。在此过程中，该中心将培养学生解决复杂的跨学科问题，并发现基础知识，为所有人创造一个更安全、更健康的环境。