محققان WPI ماده ای را برای حذف اوره از آب و تبدیل آن به گاز هیدروژن ساخته اند. با ساختن این مواد از اتم‌های نیکل و کبالت با ساختارهای الکترونیکی که به دقت طراحی شده‌اند، این گروه پتانسیل را برای فعال کردن این اکسیدها و هیدروکسیدهای فلزات واسطه برای اکسید کردن انتخابی اوره در یک واکنش الکتروشیمیایی باز کرده است.

این مطالعه به رهبری Xiaowei Teng، استاد مهندسی شیمی جیمز اچ. منینگ در WPI، اخیراً در مجله Physical Chemistry Letters منتشر شد و در جلد اول مکمل این نشریه برجسته شد.

چالش حذف اوره از آب

اوره یک کود نیتروژن ارزان قیمت برای کشاورزی و یک محصول طبیعی از متابولیسم انسان است. رواناب های کشاورزی غنی از اوره و تخلیه فاضلاب شهری باعث شکوفه های جلبکی مضر برای اوتروفیکاسیون و مناطق مرده هیپوکسیک می شود که بر محیط آبی و سلامت انسان تأثیر منفی می گذارد.

در عین حال، ویژگی‌های منحصربه‌فرد اور ه، آن را به یک محیط ذخیره‌سازی هیدروژن بالقوه تبدیل می‌کند که می‌تواند تولید هیدروژن بر حسب تقاضا را ارائه دهد. به عنوان مثال، اوره غیر سمی است، حلالیت آب بالایی دارد و محتوای هیدروژن بالایی دارد (6.7 درصد وزنی). بنابراین، الکترولیز اوره برای تولید هیدروژن از نظر انرژی کارآمدتر و مقرون به صرفه تر از الکترولیز آب است.

ضعف الکترولیز اوره همیشه نبود الکتروکاتالیست‌های کم‌هزینه و بسیار کارآمد بوده است که به‌جای آب، اوره را به‌طور انتخابی اکسید می‌کنند، اما Teng و تیمش راه‌حلی پیدا کرده‌اند: ساخت الکتروکاتالیست‌هایی متشکل از اتم‌های نیکل و کبالت که با ساختارهای الکترونیکی منحصربه‌فرد تعامل دارند. برای الکترواکسیداسیون انتخابی اوره

باز کردن انتخاب و فعالیت پیشرفته

مطالعه تیم WPI بر روی اکسیدها و هیدروکسیدهای نیکل و کبالت همگن متمرکز بود. محققان دریافتند که کلید افزایش فعالیت الکتروشیمیایی و گزینش پذیری آن برای اکسیداسیون اوره در ایجاد ساختارهای الکترونیکی منحصر به فرد با گونه های غالب Ni2+ و Co3+ نهفته است.

“این پیکربندی الکترونیکی یک عامل محوری برای بهبود گزینش پذیری اکسیداسیون او ره است، زیرا مشاهده می کنیم که ظرفیت نیکل بالاتر، مانند Ni3+، در واقع به تولید یک واکنش سریع با خروجی جریان الکتریکی قوی کمک می کند؛ با این حال، بخش زیادی از جریان از آب ناخواسته بود. اکسایش، “تنگ گفت.

برای درک بهتر این اثر، گروه Teng با Aaron Deskins، استاد مهندسی شیمی در WPI همکاری کردند. دسکینز شبیه‌سازی‌های محاسباتی را انجام داد و دریافت که اختلاط همگن اکسیدها و هیدروکسیدهای نیکل و کبالت به توزیع مجدد الکترون از گونه‌های Ni2+ به Co3+ و انتقال الکترون‌های ظرفیت به انرژی بالاتر کمک می‌کند، بنابراین کاتالیزورهای Ni/Co برای مشارکت در پیوند با مولکول های اور ه و آب آماده‌تر هستند.

برنامه های کاربردی و چشم انداز آینده

کود نیتروژن اصلی و افزودنی خوراک، ا وره به صورت تجاری در اوایل دهه 1920 تولید شد. حدود 180 میلیون تن متریک در سال 2021 تولید شد. ا وره را می توان از منابع طبیعی به دست آورد. یک انسان بالغ روزانه 1.5 لیتر ادرار تولید می کند که معادل 11 کیلوگرم اوره و 0.77 کیلوگرم گاز هیدروژن در سال است.

یافته‌های این تیم می‌تواند به استفاده از اور ه در جریان‌های زباله برای تولید موثر سوخت هیدروژن از طریق فرآیند الکترولیز کمک کند، و می‌تواند برای جدا کردن او ره از آب، حفظ پایداری طولانی‌مدت سیستم‌های اکولوژیکی و متحول کردن رابطه آب و انرژی استفاده شود.

این کار توسط بنیاد ملی علوم تحت شماره جایزه 2236704 پشتیبانی شد.

سه دهه داده‌ها از یک مطالعه جدید تحت رهبری نبراسکا خبر داده است که نشان می‌دهد چگونه کاهش آب‌های زیرزمینی – همان چیزی که بسیاری از کشاورزان برای آبیاری به آن تکیه می‌کنند – می‌تواند تولید مواد غذایی را در میان خشکسالی و اقلیم خشک‌تر تهدید کند.این مطالعه نشان داد که تا حدی به دلیل چالش‌های استخراج آب‌های زیرزمینی، تخلیه آبخوان می‌تواند بازده محصول را کاهش دهد، حتی زمانی که به نظر می‌رسد به اندازه کافی اشباع شده باشد تا بتواند نیازهای آبیاری را برآورده کند. محققان گزارش کردند که این تلفات کشاورزی با کاهش آبخوان تشدید می شود، به طوری که کاهش آن باعث کاهش بیشتر محصول ذرت و سویا در هنگام کاهش از 100 فوت ضخامت به 50 می شود تا از 200 فوت به 150.

این تیم گفت که این واقعیت باید سیاست گذاران، مدیران منابع و تولیدکنندگان را تشویق کند تا در مورد حجم آب زیرزمینی که در اختیار دارند، تجدید نظر کنند، به ویژه در مواجهه با خشکسالی شدیدتر و مکرر.

نیک بروزوویچ، مدیر سیاستگذاری در Daugherty Water برای: “همانطور که یک آبخوان را تا حدی پایین می آورید که کاملاً نازک است، تغییرات بسیار کوچک در ضخامت آبخوان به تدریج تأثیرات بزرگتر و بزرگتری بر تولید محصول و انعطاف پذیری شما خواهد گذاشت.” موسسه جهانی غذا “و این چیزی است که ما آن را به خوبی پیش بینی نمی کنیم، زیرا ما تمایل داریم بر اساس گذشته پیش بینی کنیم. بنابراین اگر آنچه را که قرار است اتفاق بیفتد بر اساس تجربیات گذشته خود قرار دهیم، همیشه کمتر پیش بینی می کنیم. ما همیشه به دنبال آن هستیم. از بد شدن اوضاع شگفت زده شوید.”

این تیم پس از تجزیه و تحلیل داده‌های بازده، آب‌وهوا و آب‌های زیرزمینی از آب‌خوان High Plains، که به‌عنوان بزرگ‌ترین در ایالات متحده، زیربنای بخش‌هایی از هشت ایالت – از جمله تقریباً تمام نبراسکا، قرار دارد، به نتیجه‌گیری رسید. برخی از مناطق آبخوان، به ویژه مناطق زیر تگزاس و کانزاس، و همچنین ایالت کورن هاسکر، به طور قابل توجهی در طول چند دهه گذشته کاهش یافته اند، به خاطر آبیاری زمین هایی که در غیر این صورت شانس کمی برای حفظ محصولات کشاورزی دارند.

بروزوویچ، استاد اقتصاد کشاورزی در دانشگاه نبراسکا-لینکلن، گفت: «از نظر چیزهایی که به شما امکان می‌دهد در شرایط شدید به امنیت غذایی بپردازید – به ویژه خشکسالی و تغییرات آب و هوایی – ما واقعاً نمی‌توانیم بدون آبیاری انجام دهیم. اگر می‌خواهیم دنیا را با غذای باکیفیت، مغذی و منبع غذایی پایدار تغذیه کنیم، باید آبیاری کنیم.»

بروزوویچ و همکار هوسکر، تارو مینو، قبلاً مدل‌های زیادی ساخته بودند و شبیه‌سازی‌های زیادی را در مورد نحوه واکنش آبخوان دشت‌های بالا به خشکی و شرایط خشک انجام داده بودند. اما صحبت با کشاورزان نشان داد که این مدل‌ها به نگرانی اصلی آن‌ها توجه نمی‌کنند: عملکرد چاه، یا مقدار آب زیرزمینی که کشاورزان می‌توانند به طور مستمر انتظار داشته باشند هنگام تلاش برای محافظت از محصولات خود در برابر خشکسالی.

مینو، دانشیار اقتصاد کشاورزی و نویسنده اصلی این مطالعه که در مجله Nature Water منتشر شده است، می‌گوید: «همه علاقه‌مندند که چگونه کاهش آبخوان بر انعطاف‌پذیری کشاورزی آبی در منطقه تأثیر می‌گذارد .

بنابراین، محققان تخمین‌های سالانه ضخامت آبخوان دشت‌های بالا را که به سال 1935 بازمی‌گردد، همراه با بازده ذرت و سویا در سطح شهرستان از سال 1985 تا 2016 مورد بررسی قرار دادند. تفاوت بین آب به دست آمده از بارش و مقداری که محصولات از طریق تبخیر و تعرق از دست می دهند.

محققان می‌دانستند که وقتی دومی از اولی فراتر می‌رود، کشاورزان اغلب برای جبران تفاوت به سفره‌های زیرزمینی مراجعه می‌کنند. آنچه آنها نمی دانستند: تحت چه شرایطی و تا چه حد، تخلیه آبخوان، پمپاژ آب آن را برای انجام آن بسیار دشوار یا گران می کند؟ و تصمیمات حاصل — برای کاهش میزان آبیاری در هر هکتار، توقف آبیاری برخی قطعات با هم — چقدر بر عملکرد ذرت و سویا تأثیر می گذارد؟

این تیم دریافتند کشاورزانی که به اندازه کافی خوش شانس هستند که ذرت و سویا را در بالای اشباع ترین قسمت های آبخوان High Plains – تقریباً 220 تا 700 فوت ضخامت – کشت می کنند، حتی در مواقع کمبود شدید آب، همچنان از عملکرد آبی بالایی برخوردار هستند. در مقابل، مناطقی که به مناطق کمتر اشباع وابسته بودند – بین 30 تا 100 فوت – مشاهده کردند که عملکرد آبی آنها زمانی که کمبود آب به تنها 400 میلیمتر رسید، روند رو به نزولی را تجربه کردند، که یک اتفاق رایج در نبراسکا و سایر ایالت های غرب میانه است.

در سال‌هایی که کسری به 700 میلی‌متر نزدیک می‌شد یا از آن فراتر می‌رفت، مزارع آبی که در بالای غلیظ‌ترین آب‌های زیرزمینی قرار داشتند، به‌طور قابل‌توجهی بیشتر از مزارعی که بالاتر از نازک‌ترین آب‌ها نشسته بودند، ذرت تولید می‌کردند. نتایج در خلال کمبود آب 950 میلی‌متری، که با خشکسالی شدید مطابقت دارد، واضح‌تر بود: مزارع بالای پهنه‌های کمتر اشباع آبخوان، تقریباً 19.5 بوشل کمتر در هر هکتار تولید می‌کردند.

“به دلیل نحوه عملکرد سفره‌های زیرزمینی، حتی اگر آب زیادی در آنجا وجود داشته باشد، زیرا آنها کاهش می‌یابند، شما در واقع توانایی تامین نیازهای آبی محصولات را در خشک‌ترین دوره‌ها از دست می‌دهید، زیرا با تخلیه آبخوان، عملکرد چاه کاهش می‌یابد. بروزوویچ گفت. این یک پیامد اقتصادی و یک پیامد انعطاف پذیری دارد.»

این مطالعه ارتباط مشخص دیگری را بین آب موجود در زیر زمین و آب موجود در سطح به دست آورد. هنگامی که بالای آب های زیرزمینی تقریباً 330 فوت ضخامت داشت، کشاورزان 89 درصد از هکتارهای خود را که برای کشت ذرت اختصاص داده شده بود آبیاری می کردند. جایی که آبخوان فقط 30 فوت ضخامت داشت؟ فقط 70 درصد از این هکتارها آبیاری شدند. تارو گفت که این احتمالاً نتیجه کاهش بازده چاه است که کشاورزان را به آبیاری فقط برخی از مزارع خود سوق می دهد یا حتی از آبیاری صرف نظر می کنند.

برای درک بهتر اینکه چگونه کاهش آبیاری در شرایط خشکی به تلفات کشاورزی کمک می‌کند، محققان بازدهی را در مزارع آبی و غیرآبیاری که دومی تنها بر بارندگی متکی است، در نظر گرفتند. آن تجزیه و تحلیل عملکرد را حتی نسبت به کمبودهای آب کوچکتر حساس‌تر نشان داد، که نشان می‌دهد کاهش در زمین‌های آبی زیان‌های متحمل شده در قطعات هنوز آبیاری را تشدید می‌کند.

و تهدید فراری را نشان می‌دهد که ضخامت متوسط ​​یک سفره زیر آستانه‌های خاص کاهش می‌یابد. با کمبود آب 950 میلی متری، کاهش ضخامت آبخوان از تقریباً 330 به 230 فوت تخمین زده شد که منجر به کاهش متوسط ​​حدود 2.5 بوشل ذرت در هر هکتار شود، چیزی که نویسندگان آن را “تفاوت ناچیز” نامیدند. همان کاهش مطلق، اما از 230 به 130 فوت، منجر به از دست دادن تخمینی 15 بوشل در هر هکتار شد.

مینو گفت: “در نتیجه، انعطاف پذیری شما در برابر آب و هوا به سرعت کاهش می یابد.” “بنابراین وقتی در حال حاضر روی آبخوانی بسیار ضخیم کار می‌کنید، نسبتاً ایمن هستید. اما می‌خواهید آن را به گونه‌ای مدیریت کنید که از آن آستانه عبور نکنید، زیرا از آنجا، همه چیز در سراشیبی است.

و اهمیت سفره‌های زیرزمینی با پیشرفت تغییرات آب و هوایی در آینده افزایش خواهد یافت. با گرم‌تر شدن هوا، معمولاً به آب بیشتری نیاز دارید. و اوضاع می تواند بدتر و بدتر شود.”

بروزوویچ گفت که نبراسکا از این نظر خوش شانس است که بر فراز چنین مخزن عظیمی قرار دارد و یک سیستم مدیریتی را ایجاد کرده است که برای حفظ آن در مقیاس محلی طراحی شده است. اما بیشتر مقررات بر تعیین میزان و زمان پمپاژ آب زیرزمینی تمرکز می‌کنند و از سطح اشباع آبخوان یا توانایی مربوطه برای استخراج آب از آن محافظت نمی‌کنند.

بروزوویچ اذعان داشت که متقاعد کردن سیاستگذاران برای بررسی بازنگری در این پارامترها در حال حاضر، زمانی که بسیاری از ایالت هنوز از آب زیرزمینی کافی برخوردار است، “شاید فروش سختی باشد.” او امیدوار است که مطالعه جدید حداقل بتواند به مطرح کردن این گفتگو کمک کند.

او گفت: «وقتی با مشکلی مواجه می‌شوید – زمانی که بازده چاه در حال کاهش است و آبخوان واقعاً نازک است – حتی اگر سیاست‌هایی را اعمال کنید، باز هم تأثیرات (منفی) زیادی خواهید داشت. «بنابراین زمان اجرای سیاست‌های معنادار قبل از اینکه همه چیز از پرتگاه خارج شود است.

“اول، شما باید درک کنید، باید اندازه گیری کنید، باید آموزش دهید. باید بفهمید که چه چیزی را حفظ می کنید، و چرا. هر چه بیشتر بتوانید شواهد کمی ارائه کنید که چرا ارزش انجام همه کارها را دارد. او گفت، از این، و آنچه در خطر است، گفت و گو آسان تر است.

بروزوویچ و مینو با تیموتی فاستر از دانشگاه منچستر و شونکی کاکیموتو از دانشگاه مینه سوتا، مطالعه آب طبیعت را تالیف کردند. این محققان تا حدی از وزارت کشاورزی ایالات متحده حمایت دریافت کردند.

امروزه اهمیت پایگاه‌های اطلاعاتی و استنادی کتاب‌شناختی به‌شدت افزایش یافته است، زیرا آنها ارائه‌دهنده‌های اصلی فراداده‌های انتشارات و شاخص‌های کتاب‌سنجی هستند. Scopus و Web of science دو پایگاه استنادی علمی اصلی کتابشناختی هستند. ارزیابی جامع پوشش این پایگاه ها و مقایسه آن با موتورهای جستجوی علمی در دوره های آکادمی تحلیل آماری ایران(مدرسه پژوهش کمی و کیفی) مورد بحث قرار گرفته است.

در ادامه آموزش روش سرچ حرفه ای که پیش از این در قالب یک فیلم آموزشی در سایت آکادمی تحلیل آماری ایران قرار گرفته است، که این سایت نیز با توجه به کیفیت بالای تدریس دوره توسط دکتر مرادی و ضرورت آشنایی محققین علوم جغرافیایی با این روش ها با اخذ اجازه از استاد محترم آن را بازنشر نموده است. در این بخش آموزش تصویری سرچ و گرفتن خروجی از پایگاه های علمی Scopus و Web of science (زبان ساده) در اختیار عزیزان قرار داده می شود. لطفا پیش از آموختن روش سرچ و گرفتن خروجی از پایگاه های علمی Scopus و Web of science حتما فیلم آموزش تصویری جامع سرچ مقالات علمی معتبر  نیز مشاهده شود.

آموزش تصویری سرچ و گرفتن خروجی از پایگاه های علمی Scopus و Web of science (زبان ساده)

بر اساس یک مطالعه تحقیقاتی بزرگ، کشاورزان در جنوب صحرای آفریقا باید از کشت ذرت تنوع ببخشند و به محصولاتی روی آورند که در برابر تغییرات آب و هوایی مقاوم هستند و ریزمغذی‌های کلیدی کافی برای جمعیت تامین کنند. ذرت یک محصول اصلی در سراسر منطقه است — جایی که در مقادیر زیادی کشت و مصرف می شود.

این مطالعه که توسط دکتر استوارت جنینگز از دانشگاه لیدز رهبری می‌شود، استدلال می‌کند که تنوع در میوه‌ها، سبزیجات و محصولاتی مانند کاساوا، ارزن و سورگوم باعث بهبود امنیت تغذیه در کشور می‌شود و مردم ریزمغذی‌های کافی برای سلامتی لازم را دریافت می‌کنند.

این مطالعه همچنین می‌گوید که مقدار غذای تولید شده باید افزایش یابد – و مگر اینکه بازده به سطح بی‌سابقه‌ای افزایش یابد، زمین‌های بیشتری باید وارد تولیدات کشاورزی شوند.

کشورهای جنوب صحرای آفریقا محل زندگی حدود 1.2 میلیارد نفر است و طبق آمار بانک جهانی، جمعیت تا سال 2050 به میزان 740 میلیون نفر افزایش خواهد یافت. 

کشاورزان باید در زمانی که تغییرات اقلیمی منجر به شرایط شدیدتر می‌شود و بر محصولات قابل کشت تأثیر می‌گذارد، میزان غذای تولید شده را افزایش دهند.

محققان می گویند که جمعیت در معرض خطر «ناامنی غذایی و تغذیه ای» هستند مگر اینکه راه های موثر سازگاری با تغییرات آب و هوایی شناسایی شوند. لازمه هر تصمیمی این است که محصولات باید مغذی باشند و انرژی کافی برای جمعیت فراهم کنند. 

پروفسور جنی مک دیارمید، از مؤسسه رووت در دانشگاه آبردین و یکی از نویسندگان مقاله، گفت: “این مطالعه نیاز به قرار دادن تغذیه در قلب سیاست کشاورزی برای جلوگیری از پیامدهای ناخواسته طولانی مدت شکست را برجسته کرده است. تولید مواد غذایی که بتواند نیازهای غذایی مردم را تامین کند.

“اگر راه حل های سیاستی تنها بر افزایش تولید کالری و سازگاری با شرایط آب و هوایی هوشمندانه تمرکز کند، احتمالاً از طریق رژیم های غذایی ضعیف، پیامدهای منفی برای سلامتی خواهد داشت.”

این مطالعه – سازگاری متحول کننده مبتنی بر ذینفعان برای امنیت تغذیه هوشمند در آب و هوا در جنوب صحرای آفریقا مورد نیاز است – در مجله علمی Nature Food منتشر شده است. 

بیش از 50 محقق در این تحقیق مشارکت داشتند که شامل گفتگو با سیاست گذاران و سایر سهامداران در بخش های غذا و کشاورزی در چهار کشور در جنوب صحرای آفریقا: مالاوی، آفریقای جنوبی، تانزانیا و زامبیا بود.

«سیاست‌های کشاورزی و تغذیه می‌توانند در سیلوها بنشینند»

محققان از چارچوب ارزیابی iFEED برای بررسی گزینه‌های سیاستی برای ایجاد یک سیستم کشاورزی مقاوم در برابر تغییرات آب و هوایی استفاده کردند و غذای کافی از نظر تغذیه‌ای را برای برآورده کردن نیازهای غذایی و تغذیه‌ای جمعیت تامین کند.

دکتر جنینگز، پژوهشگر دانشکده زمین و محیط زیست در دانشگاه لیدز، گفت: «اغلب سیاست‌های غذا، کشاورزی و تغذیه در سیلوهای بخش‌های مختلف دولتی قرار دارند. 

“این مطالعه شواهد جامعی را ارائه می دهد که اطلاعاتی را در مورد اثرات زیست محیطی تغییرات سیستم غذایی و تغییرات مورد نیاز برای امنیت تغذیه سطح جمعیت ترکیب می کند. این تحقیق نشان می دهد که می توان برای انطباق با تغییرات آب و هوایی و بهبود امنیت تغذیه در جنوب صحرای آفریقا اقدام کرد.” 

ذینفعان در هر کشور ابهامات کلیدی را در آینده سیستم غذایی شناسایی کردند. iFEED این آینده های نامطمئن را بررسی می کند و مسائل کلیدی سیاستی را که تصمیم گیرندگان شاغل در بخش کشاورزی و غذا باید در نظر بگیرند، شناسایی می کند. 

دانشمندان می گویند که باید یک تغییر اساسی – یا “رویکرد تحول آفرین” – در کشاورزی ایجاد شود تا نیازهای تغذیه ای را در بر گیرد. 

تنوع بخشی به تولید سویا یک گزینه است. محصولات سویا در مقایسه با ذرت بیشتر در برابر اثرات تغییرات آب و هوایی مقاومت می کنند. دکتر نداشه کاپولو، از موسسه تحقیقات کشاورزی زامبیا و نویسنده مشارکت کننده در این مطالعه، در مطالعاتی برای ارزیابی اینکه چگونه سویا می‌تواند درآمد کشاورزان تجاری و در مقیاس کوچک را بهبود بخشد، مشارکت داشته است.

وی گفت: “بسیاری از کشورهای جنوب صحرای آفریقا در صورت داشتن سیستم‌های غذایی متنوع‌تر، مانند انتقال به تولید سویا در زامبیا، بهتر می‌توانند با تغییرات آب و هوایی و سایر استرس‌ها مقابله کنند.

“به عنوان دانشمندان، ما باید شواهد کافی در تحقیقات خود ایجاد کنیم تا به ایجاد تغییراتی کمک کنیم که اقداماتی را برای انعطاف پذیرتر کردن سیستم غذایی کشاورزی حمایت و هدایت کند.”

افزایش تولید و مصرف محصولات حیوانی در جنوب صحرای آفریقا نیز می‌تواند کیفیت تغذیه‌ای رژیم‌های غذایی را بهبود بخشد، اما دانشمندان هشدار می‌دهند که نباید به سطوح تولید ناپایدار که در برخی از کشورهای با درآمد بالاتر دیده می‌شود، برسد. 

بیشتر محصولات حیوانی باعث افزایش انتشار گازهای گلخانه ای می شود، اگرچه محققان می گویند که با توجه به نیاز کشورهای جنوب صحرای آفریقا به کاهش خطر رژیم های غذایی ناکافی – و انتشار گازهای گلخانه ای آن نسبتاً کم است، این امر می تواند قابل تحمل باشد.

این مطالعه شامل محققانی از تعدادی سازمان از جمله دانشگاه لیدز، دانشگاه آبردین، دفتر Met Office، Chatham House و FANRPAN بود.

iFEED یک پایگاه داده است – تا حدی توسط دانشگاه لیدز تحت برنامه GCRF AFRICAP و CGIAR Initiative on Climate Resilience – برای کمک به تصمیم گیرندگان در ارائه سیاست های سیستم غذایی که در برابر تغییرات آب و هوایی مقاوم هستند و غذای مغذی را ارائه می دهند – ناامنی غذایی و تغذیه ای با کاهش خطر توسعه یافته است.

مرجع مجله:

استوارت جنینگز، اندرو چالینور، پیت اسمیت، جنی آی. مک دیارمید، ادوارد پوپ، سارا چپمن، کاترین برادشاو، هدر کلارک، سیلویا وتر، نوالا فیتون، ریچارد کینگ، سیتمبیل مواماکامبا، تشیلیدزی مادزیوهاندیلا، ایان چوپین، کریستین چوپینگاید، ایان چوپانگاید بونانی نیهودو، ندومیسو مازیبوکو، پریش یکی، پاملا کوالی، آلفرد کامبویری، ویویان کازی، آگاتا کیاما، آبل سونگوله، هلن کوسکران، کلر کوئین، سوزانا سالو، اندرو داگیل، استفن ویتفیلد، بیل کونین تانبلی، بیل کونین تانبلی، نابلی. پروسپر ماکوندی، وینفرد امبونگو، فرانک کایولا، سو واکر، سیبونگیله زیمبا، جوزف هوبرت گالانی یامدو، نداشه کاپولو، مارسلو والادرس گالدوس، ساموئل ازه، همانت تریپاتی، استیون سایت، استفان کپینسکی، امانوئل لیکویا، هنری ال‌گریت‌هد مارسلین تونیه ماهوپ، هلن هاروات، ملیحه مزمیل، گراهام هورگان، تیم بنتون. 

سازگاری متحول کننده مبتنی بر ذینفعان برای امنیت تغذیه هوشمند در آب و هوا در جنوب صحرای آفریقا مورد نیاز است . غذای طبیعت ، 2024; DOI: 10.1038/s43016-023-00901-y

با توجه به اینکه آلودگی پلاستیکی تهدید قابل توجهی برای اکوسیستم و سلامت انسان است، استراتژی‌های مختلف برای کاهش این نوع آلودگی شامل کاهش تولید پلاستیک، کاهش تولید زباله‌های پلاستیکی و بهبود طراحی مواد و محصولات اقلام پلاستیکی است.

اکنون، محققان یک معیار پایداری برای طراحی اکولوژیکی محصولات پلاستیکی که دوام کمی در محیط دارند، ایجاد کرده‌اند. طبق مطالعه جدیدی که توسط محققان موسسه اقیانوس شناسی Woods Hole (WHOI) انجام شد و در مجله ACS Sustainable Chemistry & Engineering منتشر شد، رعایت این معیار می تواند مزایای زیست محیطی و اجتماعی قابل توجهی را به همراه داشته باشد.

“در حالی که آلودگی پلاستیک اکوسیستم ها و سلامت انسان ها را تهدید می کند، استفاده از محصولات پلاستیکی همچنان در حال افزایش است. محدود کردن مضرات آن مستلزم استراتژی های طراحی برای محصولات پلاستیکی است که از تهدیداتی که پلاستیک ها برای محیط زیست ایجاد می کنند. بنابراین، ما یک معیار پایداری برای محیط زیست ایجاد کردیم. بر اساس این مطالعه، طراحی محصولات پلاستیکی با ماندگاری محیطی کم و عملکرد بی‌خطر.

طراحی پلاستیک های یکبار مصرف با استفاده از این رویکرد می تواند تاثیر قابل توجهی داشته باشد. تحلیل‌های انجام شده در این مطالعه می‌گویند تغییر به مواد جایگزین برای درب فنجان‌های قهوه یک‌بار مصرف، مانند دی استات سلولز و پلی هیدروکسی آلکانوات‌ها، می‌تواند صدها میلیون دلار هزینه‌های زیست‌محیطی را برای جامعه کاهش دهد.

به طور کلی، محصولات به گونه‌ای طراحی می‌شوند که عمدتاً با ایجاد تعادل بین نگرانی‌های زیست‌محیطی مختلف، مانند انتشار گازهای گلخانه‌ای و کاهش منابع، سازگار با محیط‌زیست باشند، زیرا چارچوب‌ها و مجموعه‌های داده‌ای برای تخمین این نوع تأثیرات وجود دارد. انتخاب یک نوع پلاستیک بر دیگری اغلب برای دستیابی به این هدف استفاده می شود. با این حال، تا به امروز، هیچ چارچوب انتخاب مواد، پایداری محیطی، یا زمانی که یک مورد پلاستیکی در محیط زیست به عنوان آلودگی باقی می‌ماند، به عنوان یک نگرانی کلیدی زیست‌محیطی در نظر نگرفته است.

برایان جیمز، نویسنده اصلی این مقاله می‌گوید: «آنچه مهم است تعیین کنیم این است که چگونه می‌توانیم مواد، محصولات و فرآیندهای کاربردی، پایدار و خوش‌خیم را طراحی کنیم که همه اصول مهندسی مواد سبز را در دنیای آینده‌ای که قرار است در آن زندگی کنیم، در بر می‌گیرد. ، یک دانشمند و مهندس مواد که محقق فوق دکتری در دپارتمان شیمی و ژئوشیمی دریایی WHOI است. “مجموعه بعدی استراتژی ها و ابزارهایی که مهندسان، طراحان محصول و حتی مصرف کننده معمولی می توانند از آنها استفاده کنند تا بهترین انتخاب را برای محیط زیست داشته باشند، در حالی که مجبور به فداکاری در عملکرد محصول نیستند، چیست؟”

برای توسعه معیار پایداری، محققان “نرخ تخریب محیطی پلاستیک را در استراتژی‌های انتخاب مواد تثبیت کردند و شاخص‌های مواد را برای ماندگاری محیطی استخراج کردند. تجزیه و تحلیل ما مواد و خواص آنها را شناسایی می‌کند که مستحق توسعه، پذیرش و سرمایه‌گذاری برای ایجاد عملکردی و کمتر هستند. محصولات پلاستیکی تاثیرگذار بر محیط زیست،” این مطالعه اشاره می کند.

ایجاد و اجرای یک معیار پایداری برای پایداری به دلیل فقدان داده‌های کافی برای طیف وسیعی از پلاستیک‌های مورد استفاده در کالاهای مصرفی چالش برانگیز بوده است. اخیراً دانشمندان داده های کافی در مورد نرخ تخریب محیطی واقعی انواع مختلف پلاستیک داشته اند تا بتوانند انواع مختلف خواص پلاستیک را در نظر بگیرند و آنها را در طراحی پیاده کنند.

با این داده‌ها، محققان اکنون نشان می‌دهند که در حالی که تغییر یک ماده پلاستیکی به ماده دیگر می‌تواند هزینه محصول و انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهد، این سوئیچ می‌تواند مزایای بسیار بیشتری را از نظر به حداقل رساندن طول عمر محیطی و ماندگاری ارائه دهد. 

به عنوان مثال، اگر یک طراح محصول فقط هزینه و انتشار گازهای گلخانه ای را در نظر بگیرد، پلی لاکتیک اسید انتخاب خوبی خواهد بود. با این حال، این ماده در اقیانوس ها باقی می ماند. در مقایسه، دی استات سلولز و پلی هیدروکسی آلکانوات ها، در حالی که در حال حاضر فقط کمی گران تر از پلی لاکتیک اسید هستند، می توانند انتشار گازهای گلخانه ای کمتری داشته باشند و در اقیانوس ها باقی نمانند.

“نود و نه درصد از مقالاتی که در مورد آلودگی پلاستیکی منتشر شده اند به ما می گویند که چقدر بد است. این مقاله به روشی بسیار آینده نگرتر به این موضوع می پردازد، در مورد اینکه چگونه یک مشکل را به روش علمی معنادار حل می کنید. کریستوفر ردی، دانشمند ارشد در دپارتمان شیمی و ژئوشیمی دریایی WHOI، می‌گوید که این امر قابل دستیابی، دستیابی و از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه است.

به عنوان مثال، محققان این معیار را برای طراحی مجدد یک کالای پلاستیکی یکبار مصرف روزمره، درب فنجان قهوه، اعمال کردند. در حال حاضر، سالانه میلیاردها درب فنجان قهوه یکبار مصرف استفاده می شود که حدود پنج درصد از کل زباله های پلا ستیکی جمع آوری شده توسط تلاش های پاکسازی سواحل در سراسر جهان را تشکیل می دهد. با سه درب مختلف فنجان قهوه که در حال حاضر استفاده می شود – از جمله درب های ساخته شده از اسید پلی لاکتیک، پلی پروپیلن و پلی استایرن – محققان ارزیابی کردند که کدام ماده درب در بازار بیشترین تأثیرات زیست محیطی را کاهش می دهد.

“کدامیک بهتر است: درپوشی که انتشار گازهای گلخانه ای کمی بیشتر دارد اما در محیط کمتر باقی می ماند یا درپوشی که انتشار گازهای گلخانه ای کمتری دارد اما برای مدت طولانی تری باقی می ماند؟ برای پاسخ به این، ما برای هر دو گزینه ارزش دلاری در نظر می گیریم. جیمز گفت: از نظر هزینه ساخت محصول و هزینه برای محیط زیست و خدمات اکوسیستم. صرفاً ساختن محصولاتی که به دلیل نبودن در آنجا ماندگاری کمتری دارند یا سریعتر از بین می روند، این هزینه را برای جامعه به شدت کاهش می دهد.

هنگامی که شما را مجبور به ساخت درب فنجان قهوه جدید می کنند که باید پایدار و سبز باشد، و باید بفهمید که کدام پلیمر برای محیط زیست بهتر است، در حال حاضر، سبز ممکن است میزان انرژی مصرف شده برای ساخت پلاستیک را در نظر بگیرد. یا اینکه چقدر گازهای گلخانه‌ای منتشر می‌شود. اما محاسبات فعلی برای یک طراح، ماندگاری درب را در نظر نمی‌گیرد. کاری که برایان با توسعه این معیار انجام داده است، پیشگامانه است.” نویسنده کالین وارد، دانشمند دانشیار در دپارتمان شیمی و ژئوشیمی دریایی WHOI.

“آنچه در مورد این مطالعه مهم است این است که به تغییر روایت از تعریف مشکل آلودگی پلاستیکی به دستیابی به راه حل هایی برای این مشکل کمک می کند. پلاستیک ها مواد بسیار مفیدی هستند — آنها به این زودی راه به جایی نمی برند. اما همه میزان آن را قبول دارند. وارد گفت: چارچوب ارائه شده در این مطالعه اولین گام مهم برای حل این مشکل با طراحی موادی است که به طور همزمان نیازهای مصرف کنندگان را برآورده می کند و در صورت نشت اتفاقی در محیط باقی نمی ماند.

جیمز خاطرنشان کرد که از طریق استراتژی‌های متفکرانه برای اتخاذ تصمیمات طراحی خوب، “دانشمندان، مهندسان و طراحان این فرصت را دارند که تاثیر قابل‌توجهی در بحران آلودگی پلا ستیکی داشته باشند. معیارها و روش‌های توسعه‌یافته در این مطالعه می‌توانند تصمیمات طراحی و اولویت‌های تحقیقاتی را برای رسیدن به هدف هدایت کنند. این هدف.”

این کار توسط برنامه تحصیلی پسادکتری در WHOI، با بودجه ارائه شده توسط بورسیه تحصیلی پسا دکتری وستون هاولند جونیور حمایت شد. پشتیبانی اضافی توسط صندوق چشم انداز اقیانوس WHOI 2030، بنیاد ملی علوم ایالات متحده، مؤسسه سیور، و ابتکار دریایی مارس (برنامه ای از مارس لیمیتد، برمودا) از طریق برنامه شتاب دهنده نوآوری میکروپلاستیک دریایی WHOI ارائه شد.

خوراکی های کلیدی:

• محققان یک معیار پایداری برای طراحی اکولوژیکی محصولات پلاستیکی که ماندگاری کمی در محیط دارند ایجاد کرده اند. طبق مطالعه جدیدی که توسط محققان موسسه اقیانوس شناسی Woods Hole انجام شده است، رعایت این معیار می تواند مزایای زیست محیطی و اجتماعی قابل توجهی را به همراه داشته باشد.

• با مقایسه شاخص‌های تأثیر زیست‌محیطی پلاستیک‌های موجود در بازار و جایگزین‌های پیشنهادی، محققان نشان می‌دهند که محاسبه ماندگاری زیست‌محیطی پلاستیک‌ها در طراحی می‌تواند به مزایای اجتماعی صدها میلیون دلار برای یک محصول مصرف‌کننده منفرد تبدیل شود. این تجزیه و تحلیل مواد و خواص آنها را که مستحق توسعه، پذیرش و سرمایه‌گذاری برای ایجاد محصولات پلاستیکی کاربردی و کمتر بر محیط‌زیست هستند، شناسایی می‌کند.

• به طور کلی، محصولات به گونه‌ای طراحی می‌شوند که در درجه اول با ایجاد تعادل بین نگرانی‌های زیست‌محیطی مختلف، مانند انتشار گازهای گلخانه‌ای و کاهش منابع، سازگار با محیط‌زیست باشند، زیرا چارچوب‌ها و مجموعه‌های داده‌ای برای تخمین این نوع تأثیرات وجود دارد. تا به امروز، هیچ چارچوب انتخاب مواد، پایداری محیطی، یا زمانی که یک مورد پلاستیکی در محیط زیست به عنوان آلودگی باقی می‌ماند، به‌عنوان یک نگرانی کلیدی زیست‌محیطی در نظر نگرفته است.

• دانشمندان، مهندسان و طراحان فرصتی برای مداخله در مهار آلودگی پلاستیکی دارند. معیارها و روش های ارائه شده می تواند تصمیمات طراحی و اولویت های تحقیقاتی آنها را به سمت این ایده آل ها هدایت کند. این چارچوب با تحقیقات بیشتر در مورد اثرات زیست محیطی پلاستیک، به ویژه از طریق اندازه گیری قوی تخریب پلاستیک در شرایط محیطی واقعی، به بهبود خود ادامه خواهد داد. در نهایت، به حداقل رساندن ماندگاری محصولات پلاستیکی بدمدیریت شده به فرمولاسیون پلاستیکی نوآورانه و عوامل شکل محصول، همراه با تلاش هماهنگ در طول چرخه عمر پلاستیک برای کاهش نشت نیاز دارد.

ویروس خال زرد برنج (به طور خلاصه: RYMV) مسئول تلفات بالای محصول در آفریقا، به ویژه در میان کشاورزان کوچک است. یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه هاینریش هاینه دوسلدورف (HHU) و مؤسسه تحقیقات ملی فرانسه برای توسعه پایدار (IRD) اکنون خطوط برنج مقاوم در برابر بیماری را با استفاده از ویرایش ژنوم تولید کرده اند. گونه‌های برنج، که تیم توسعه آن‌ها را در مجله بیوتکنولوژی گیاهی توضیح می‌دهد ، گامی مقدماتی به سوی توانایی تولید گونه‌های نخبه سازگار محلی مقاوم برای تولیدکنندگان مواد غذایی در مقیاس کوچک در آفریقا است.

RYMV یک ویروس RNA است که توسط سوسک ها و تماس مستقیم برگ به برگ پخش می شود. در آفریقا، جایی که اکثر تولیدکنندگان زمین های کشاورزی به وسعت یک هکتار را ندارند، بین ده تا صد درصد برداشت برنج به طور منظم در اثر این ویروس از بین می رود. این باعث می شود که این مشکل برای فقیرترین کشاورزان تهدید کننده زندگی باشد.

هیچ محافظت موثری در برابر ویروس وجود ندارد. دکتر یوگاندر آرا، نویسنده اصلی این مطالعه که اکنون در نشریه بیوتکنولوژی گیاهی منتشر شده است، می گوید: «تنها محافظت واقعی، توسعه انواع برنج است که دارای ژن مقاومت در برابر RYMV هستند، که گیاه را آسیب ناپذیر می کند . یک تیم تحقیقاتی از مؤسسه فیزیولوژی مولکولی در HHU (به سرپرستی پروفسور دکتر ولف بی فرومر) و Institut de recherche pour le developpement (IRD) در مونپلیه، فرانسه، چنین خطوط برنج مقاومی را توسعه داده‌اند.

در حال حاضر سه ژن مقاومت شناخته شده است. جهش تنها در یکی از ژن ها به نام RYMV1 ، 2 و 3 برای رسیدن به مقاومت کافی است. شکل مقاوم rymv2 در گونه های برنج آفریقایی کم بازده ( Oryza glaberrima ) دیده می شود. RYMV2 ، همچنین به عنوان CPR5.1 شناخته می شود ، یک پروتئین مهم از منافذ هسته سلول را کد می کند. 

در گیاه مدل Arabidopsis thaliana ، از دست دادن تنها کپی ژن CPR5 منجر به طیف وسیعی از مقاومت نه تنها در برابر ویروس ها، بلکه در برابر باکتری ها و قارچ ها می شود. با این حال، رشد به شدت محدود است، گیاهان ضایعات خود به خودی را نشان می دهند و عملکرد کمی دارند. بنابراین مهم بود که آزمایش کنیم آیا مقاومت rymv2 می‌تواند به سایر گونه‌های برنج بدون عواقب منفی منتقل شود یا خیر.

در آفریقا، سایر واریته‌های برنج پرمحصول بر پایه گونه آسیایی Oryza indica عمدتاً استفاده می‌شوند و این گونه‌ها ژن مقاومت را ندارند. با این حال، قرار دادن ژن مربوطه رویکرد امیدوارکننده‌ای نیست، زیرا نوادگان این گونه هیبریدهای «بین گونه‌ای» بسیار عقیم هستند و بنابراین نمی‌توانند به راحتی تکثیر شوند و مقاومت را منتقل کنند.

با استفاده از روش ویرایش ژنوم CRISPR/Cas، گروه تحقیقاتی اکنون نشان داده است که جهش‌هایی در ژن RYMV2 می‌تواند در یک نوع برنج آسیایی تولید شود که آن را به روشی مشابه با شکل آفریقایی در برابر ویروس مقاوم می‌کند. در گام بعدی، هدف این است که گونه‌های نخبگان آفریقایی مربوطه را به همان شیوه ویرایش کنیم تا سپس در دسترس تولیدکنندگان آفریقایی در مقیاس کوچک قرار گیرند. کمک به این کشاورزان هدف کنسرسیوم تحقیقاتی بین المللی “Halthy Crops” است که توسط HHU اداره می شود.

زمینه و هدف: گیاهان دارای مکانیسم‌های ارثی هستند که در روزهای اولیه تکامل برای بقا مفید بودند، اما اکنون احتمال مضر بودن آنها بیشتر است. ذرت مثال خوبی برای این است: یک ژن باعث سقط هسته ها می شود که شرایط خشکسالی در زمان لقاح حاکم باشد. این صفت ایجاد شده توسط این ژن برای اجداد چند ساله وحشی گیاهان ذرت امروزی خوب بود، اما تأثیر مضری بر عملکرد گیاهان یک ساله دارد که اکنون در کشاورزی استفاده می شود.

در مورد برنج مورد بررسی در اینجا نیز وضعیت مشابه است. پروفسور فرومر: “این ویژگی مقاومتی مربوط به از دست دادن عملکرد ژنی است که ضروری نیست. اگر ژن را به طور کامل خاموش کنیم، گیاهان رفتار طبیعی دارند. اما در نتیجه از دست دادن عملکرد ژن، آنها مقاوم می شوند. به ویروس.”

دکتر الیزا لو، رهبر گروه محصولات سالم، می‌افزاید: «به اصطلاح یک کهن‌الگویی است که برای نیاکانش مفید بود، اما اکنون منجر به تلفات ویرانگر محصول در دوره‌های خشکسالی می‌شود. به نظر می‌رسد که این ژن خاموش شود. هیچ عوارض جانبی آشکاری ندارد.”

با کمال تعجب، نه خاموش کردن ژن CPR5.2 نزدیک به هم و نه دو ژن RYMV2 و CPR5.2 – حداقل در شرایط گلخانه – منجر به اختلال نمی شود. همچنین قابل توجه است که از دست دادن CPR5.2 منجر به مقاومت RYMV نمی شود . همه چیز نشان می دهد که ویرایش ژن RYMV2 یک رویکرد امیدوارکننده برای مبارزه با بیماری برنج در آفریقا است.

این تحقیق در چارچوب خوشه برتری برای تحقیقات گیاهی CEPLAS انجام شد و به عنوان بخشی از پروفسور فرومر الکساندر فون هومبولت پروفسور تامین مالی شد.