چکیده:

رتبه بندی انتشار گازهای گلخانه ای کشورهای جهان نشان می دهد که ایران در رتبه هشتم این دسته بندی قرار دارد و طی سالیان اخیر از کشورهای صنعتی نظیر آلمان و کره جنوبی پیشی گرفته و به کشور ژاپن نزدیک شده است. کشورهای مختلف جهان براساس قاعده گذاری های بین المللی در سندهای مشارکت ملی کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، اهداف و زمان بندی هایی را برای کاهش انتشار اعلام کرده اند. در بندهای «۸» و «۱۵» سیاست های کلی محیط زیست صراحتاً به گسترش اقتصاد سبز با استفاده از صنعت کم کربن و تقویت دیپلماسی محیط زیست برای حرکت به سمت اقتصاد کم کربن اشاره شده است.

گزارش های سازمان حفاظت محیط زیست نیز نشان می دهد که کل کاهش مصرف انرژی در اثر اقدامات دستگاه ها دست کم منجر به کاهش تقریبی انتشارات ۷۰ میلیون تن دی اکسید کربن معادل شده است. بررسی وضعیت کشور نشان می دهد که برای حرکت به سمت توسعه کم کربن در کشور فرصت های متعددی نظیر اجرای طرح های بهینه سازی انرژی در بخش تولید، انتقال و مصرف، تنوع بخشی سبد انرژی با توسعه انرژی های تجدیدپذیر و توسعه اقتصاد چرخشی وجود دارد که پتانسیل مناسبی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای دارند.

گزارش حاضر با توجه به ضرورت حرکت به سمت اقتصاد کم کربن در کشور پیشنهادهایی نظیر ایجاد بازار تبادل انتشار گازهای گلخانه ای، به روزرسانی گزارش اقدامات دستگاه ها در راستای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و ارتقای تعاملات با کشورهای هم سو را ارائه کرده است.

مدیر مطالعه: خانم الهه سلیمانی

تهیه و تدوین: آقای مسعود رضایی آقای هومن غلامپور ارباستان آقای حسین خواجه پور

ناظر علمی: آقای محمدحسن معادی رودسری خانم الهه سلیمانی

اظهارنظر کننده: آقای محمدتقی فیاضی آقای مرتضی نیکخواه نسب

همکاران: آقای علی صابری

ویراستار ادبی: خانم زهره عطاردی

کلید واژه ها

تغییر اقلیم 

توسعه کم کربن

گازهای گلخانه ای

در طول دو دهه گذشته حدود سه میلیارد نفر تحت تاثیر بلایای طبیعی مرتبط با آب مانند خشکسالی و سیل قرار گرفته اند. انتظار می‌رود تغییرات اقلیمی فراوانی این خطرات آبی را افزایش دهد و برخی پیش‌بینی‌کنندگان تخمین می‌زنند که در 30 سال آینده تنها در ایالات متحده بیش از 3.7 تریلیون دلار خسارت ناشی از آب وارد شود. فراتر از آسیب رساندن به خانه‌ها و زیرساخت‌ها، طلسم‌های شدید مرطوب و خشک نیز محصولات کشاورزی را ویران می‌کند و مخازن آب را خالی می‌کند.

یکی از حوزه‌های مورد علاقه محققان، فراوانی خشکسالی مرکب و سیلاب‌های شدید (ناشی از بارندگی سریع، شدید یا بارندگی پایدار فراتر از حد معمول) است، که زمانی است که هر دو به‌طور متوالی در یک منطقه در عرض یک سال از یکدیگر رخ می‌دهند. از نظر تاریخی، این سطح از تصادف کمتر مورد بررسی قرار گرفته است.

جالب توجه مشابه زمانی است که برعکس اتفاق می افتد: بارندگی شدید به دنبال خشکسالی هواشناسی. خشکسالی هواشناسی زمانی است که الگوهای آب و هوای خشک غالب می شود، که در نهایت می تواند باعث خشکسالی هیدرولوژیکی شود که منجر به خشکی نهرها و پایین آمدن سطح مخازن شود، مانند آنچه در دریاچه مید در سال 2022 اتفاق افتاد.

یک مطالعه جدید که توسط محققان دانشگاه آرکانزاس و همچنین همکارانش در چین انجام شده است، اکنون یک بررسی جهانی از نوسانات خشکسالی – یا تمایل به تغییر از یک افراط به دیگری (از خشک به مرطوب یا مرطوب به خشک) در مدت زمان کوتاهی.

Yichan Li، دکترای کاندیدای U of A، اولین نویسنده از چهار نویسنده در مقاله “عدم قطعیت مشاهده ای برای نوسانات خشکسالی-پلویال جهانی” بود که در تحقیقات منابع آب منتشر شد ، در حالی که لینین چنگ، استادیار علوم زمین، نویسنده دوم بود.

این مطالعه به انتقال شدید خشک به مرطوب و مرطوب به خشک در طول هفت دهه گذشته از طریق تجزیه و تحلیل تصادفی رویداد می پردازد، روشی برای تعیین کمیت تعداد رویدادهای شدید متوالی که همچنین پاسخ های آنی یا تاخیری را در یک دوره نامشخص بین آنها در نظر می گیرد. . این مطالعه از سه مجموعه داده های آب و هوایی پرکاربرد برای ارائه شواهدی مبنی بر افزایش نوسانات خشکسالی در مقیاس های زمانی کمتر از یک سال استفاده کرد.

این تیم همچنین دقت این مجموعه داده ها را ارزیابی کرد و نقاط قوت و ضعف متفاوتی را به دلیل عدم قطعیت های مشاهده ای در جمع آوری داده ها یافت. به عنوان مثال، دور بودن یک منطقه ممکن است در جمع آوری داده های دقیق نقش داشته باشد.

به طور متوسط ​​در مقیاس جهانی، این تیم دریافت که 15.46 درصد از خشکسالی های هواشناسی توسط یک پدیده خشکسالی در فصل بعد اتفاق افتاده است. درصد انتقال مرطوب به خشک به طور قابل ملاحظه ای مشابه بود: 15.49%. با این حال، هنگام نگاه کردن به مناطق خاص، تفاوت های برجسته ای وجود دارد.

در این راستا، این مطالعه تصویر نقشه ای را ارائه می دهد که نشان می دهد چگونه حوادث این دو پدیده در سطح جهانی توزیع شده اند. به طور کلی، الگوی فضایی نرخ‌های تصادفی شدید رویدادهای خشک به مرطوب و مرطوب به خشک تا حد زیادی در بین سه مجموعه داده مطابقت دارد، اگرچه تنوع منطقه‌ای برجسته وجود دارد.

به عنوان مثال، در اوراسیا از اواسط قرن بیستم، احتمال انتقال خشکسالی های هواشناسی به آب و هوای نسبتاً کمی وجود دارد، اما شانس بیشتری برای سناریوی مخالف، تغییر سریع از رویدادهای مرطوب به خشک وجود دارد. الگوی مشابهی در غرب آمریکای شمالی نیز وجود دارد که به طور متوسط ​​شاهد انتقال شدید مرطوب به خشک با فرکانس بیش از 17 درصد است. برعکس، آسیای جنوبی و استرالیا بیشتر مستعد انتقال فوری از خشکسالی های هواشناسی به آبشارها هستند.

نویسندگان خاطرنشان کردند: «یافته‌های ما نشان می‌دهد که تفاوت‌های مرتبط با نوسانات خشکسالی در بین مشاهدات در نظر گرفته شده در بسیاری از مناطق بزرگ‌تر از رویدادهای منفرد آنها (خشکسالی یا آبریزش به تنهایی) است، که نیاز به استفاده از داده‌های مبتنی بر مشاهدات مستقل متعدد را برجسته می‌کند. هنگام مطالعه چنین رویدادهای شدید ترکیبی، آزمایشات قوی تری را انجام می دهد.”

در نهایت، نویسندگان بر نیاز به استفاده از چندین مجموعه داده مبتنی بر مشاهدات مستقل در هنگام تجزیه و تحلیل رویدادهای شدید و ترکیبی خشک به مرطوب تأکید می‌کنند. این دستورالعمل‌های واضح‌تری برای تصمیم‌گیری مرتبط با آب و هوا، به‌ویژه برنامه‌ریزی منابع آب، و همچنین اطمینان از دقت بهتر هنگام مدل‌سازی رویدادهای آب‌وهوای آینده ارائه می‌دهد.

نویسندگان دیگر در این مقاله شامل چییون میائو، با دانشگاه عادی پکن و ژیونگ لیو، با دانشگاه سان یات سن بودند.

بر اساس بررسی انجام شده توسط دانشگاه ساری و مقامات دولتی منطقه ای در دهلی هند، دهلی به کمک همسایگان روستایی خود نیاز دارد تا در نهایت مشکل مه دود قاتل خود را حل کند. پروفسور پراشانت کومار، مدیر مؤسس مرکز جهانی تحقیقات هوای پاک (GCARE) در دانشگاه ساری، گفت: “آلودگی هوا به مرزهای شهر احترام نمی گذارد — و بنابراین باید در سطح منطقه ای با آن مقابله شود. اگر شهرهایی مانند دهلی می خواهند از مه دود کشنده ای که در سال های اخیر مشاهده شده است جلوگیری کنند، به مناطق روستایی همسایه برای کمک به آنها نیاز دارند. ما این را می دانیم. روش کار می کند — ما در مکان هایی مانند مکزیکو سیتی و لس آنجلس شاهد موفقیت بوده ایم. با همکاری یکدیگر می توانیم با آلودگی هوا مقابله کنیم.”

در بیشتر شهرهای هند (60 درصد)، هوا بیش از هفت برابر بیشتر از آنچه باید باشد آلوده است. این پیامدهای زیادی برای سلامتی دارد.

بخشی از این آلودگی از مناطق روستایی همجوار ناشی می شود – از سوزاندن محصولات کشاورزی، اجاق های چوبی یا نیروگاه ها.

با این حال اقدامات برای مقابله با مه دود شهری معمولاً منابع روستایی را نادیده می گیرد. در عوض، آنها فقط بر اقداماتی در محدوده شهر تمرکز می کنند – مانند تقویت حمل و نقل عمومی یا کنترل آلودگی ناشی از صنعت و ساختمان.

بررسی GCARE به جای مقابله با آلودگی هوا در سطح منطقه ای توصیه می کند. این به معنای شناسایی منطقه وسیع تری است که در آن آلودگی یک شهر تولید می شود – به اصطلاح “هوایی”.

GCARE چندین توصیه را ارائه می دهد:

• باید برنامه‌های منطقه‌ای کیفیت هوا تدوین شود – که در مکان‌هایی مانند مکزیکو سیتی و لس‌آنجلس به خوبی جواب داده است.
• با نظارت بهتر می توان “پیش بینی دود” را تولید کرد. ماهواره ها می توانند آتش سوزی ها و دیگر منابع آلودگی را شناسایی کنند. سپس دانشمندان می‌توانند پیش‌بینی کنند که چگونه با شرایط آب و هوایی تعامل خواهد داشت.
• “شورای پایگاه هوایی” می تواند به آژانس های محلی، منطقه ای و فدرال کمک کند تا تلاش های خود را هماهنگ کنند.

دکتر انور علی خان، مهندس ارشد محیط زیست در کمیته کنترل آلودگی دهلی، گفت:

“کشورهای همسایه دهلی نقش مهمی در کمک به نجات جان مردم در شهر ما دارند — و در مناطق خود نیز. ما به یک برنامه عملی با پایه علمی سالم نیاز داریم و به نظارت بهتری نیاز داریم. این امر مستلزم آن است که شهرها، دولت ها و دیگران با هم کار کنید. رویکرد مشترک تنها راه برای شکست دادن این خطر مرگبار سلامتی است.”

دکتر موکش خاره، پروفسور بازنشسته مهندسی عمران در موسسه فناوری هند، گفت:

“بخش قابل توجهی از آلودگی هوا از منابع خارج از محدوده شهری ناشی می شود، که نیاز به تغییر از اهداف کاهش انتشار گازهای گلخانه ای خاص شهر به منطقه خاص دارد. ایجاد پایگاه هوایی ابزاری حیاتی برای مدیریت و برنامه ریزی موثر کیفیت هوا خواهد بود.”

این پروژه تحقیقاتی کمک های دانشگاه ساری را در تعدادی از اهداف پایداری سازمان ملل (SDG) نشان می دهد، از جمله: بدون فقر (SDG 1)، بدون گرسنگی (SDG 2)، انرژی مقرون به صرفه و پاک (SDG 7) و اقدام آب و هوا (SDG 13) ).

مقاله کامل در مجله Sustainable Horizons منتشر شده است .

پایگاه داده جدیدی از علف‌های هرز که می‌تواند به دانشمندان در درک نحوه مدیریت سیستم‌های کشاورزی سنتی در طول تاریخ کمک کند، همچنین می‌تواند بینش‌هایی در مورد اینکه چگونه روندهای جهانی مانند بحران آب و هوا می‌تواند بر انعطاف‌پذیری سیستم‌های غذایی امروزی ما تأثیر بگذارد، ارائه دهد.

این پایگاه داده اوج 30 سال تحقیق مشترک باستان شناسان و بوم شناسان شاغل در دانشگاه های شفیلد http://ox.ac.uk/و آکسفورد است. این فهرست نزدیک به 1000 گونه از علف های هرز را که در رژیم های کشاورزی سنتی در اروپا، آسیای غربی و شمال آفریقا رشد می کنند، فهرست می کند.

منبع دسترسی آزاد، که توسط دانشگاهیان که پروژه تحقیقاتی را از طریق آرشیو تحقیقاتی دانشگاه آکسفورد ادامه می‌دهند، ایجاد و منتشر شده است، به محققان در سراسر جهان این فرصت را می‌دهد که داده‌های باستان‌شناسی گیاه‌شناسی را با سیستم‌های کشاورزی «سنتی» مقایسه کنند.

پایگاه داده ویژگی‌های عملکردی علف‌های هرز در حال رشد در بین محصولات زراعی غلات و حبوبات را برای همه 928 گونه علف‌های هرز فهرست‌بندی می‌کند. هدف این پروژه این بود که بتوانیم سیستم‌های کشاورزی گذشته و حال را از طریق علف‌های هرزی که در کنار محصولات زراعی رشد می‌کنند، مقایسه کنیم.

جان هاجسون، بوم شناس گیاهی، که در دانشکده علوم زیستی دانشگاه شفیلد فعلی کار می کرد، از دهه 1990 در این تحقیق شرکت داشت. او گفت: «داده‌ها به باستان‌شناسان و بوم‌شناسان گیاهان راهی می‌دهد تا گذشته را درک کنند و آینده را با هم پیش‌بینی کنند.

“در محیط‌های کشاورزی امروزی، جایی که محصولات به صورت ریز مدیریت می‌شوند و هر چیزی که نمی‌خواهد حذف می‌شود، نظارت بر تغییرات طولانی مدت در محیط‌ها و گونه‌های گیاهی می‌تواند دشوار باشد. بنابراین با بررسی جمعیت‌های تاریخی علف‌های هرز، به جای محصولات، داده‌ها ارائه می‌دهند. محققان روشی منحصر به فرد برای دیدن آنچه در طول اعصار از دست رفته و به دست آمده است.

“تجزیه و تحلیل داده‌ها به ما امکان می‌دهد ببینیم که چه نوع گیاهانی توانایی سازگاری با آنها را دارند یا ممکن است در برابر شرایط تغییر در زیستگاه‌هایشان آسیب‌پذیر باشند. داده‌های قوی از این تحقیقات چند ساله پتانسیل درک انعطاف‌پذیری غذا را ارائه می‌دهد. سیستم‌ها در زمان تغییرات اقلیمی، خشکسالی و تخریب زمین، و کاوش در روایتی برای مسائلی که امروز جهان از نظر تولید جهانی غذا با آن مواجه است.»

مدل‌های داده‌ای موجود در بسته جدید به دنبال درک چگونگی مقایسه کشاورزی زراعی کم نهاده (گسترده) و کشاورزی زراعی با نهاده بالا (فشرده) است، که منبعی رایگان برای دانشگاهیان برای درک ماهیت کشت محصول در سایت‌های تحقیقاتی مزرعه‌ای، از جمله میزان، ارائه می‌کند. افراد کارگر در یک زمان معین در شیوه های کشاورزی سرمایه گذاری می کردند و این ممکن است در مورد مکان ها و ساکنان آنها چه بگوید.

گلینیس جونز، استاد بازنشسته باستان شناسی در دانشگاه شفیلد، اظهار داشت که این داده ها بینش جدیدی را در مورد تاریخ کشاورزی کشف کرده و درک ما را از توسعه کشاورزی در سطح جهانی تغییر داده است. او گفت: «هدف این پروژه استفاده از ویژگی‌های عملکردی نسبتاً ساده گونه‌های مختلف گیاهی بود که می‌توان آن‌ها را سریع‌تر از آزمایش‌های گران‌قیمت و زمان‌بر اندازه‌گیری کرد تا بینش کاملاً جدیدی از مکان‌های تاریخی به ما بدهد.

“ما تمایل داریم تصور کنیم که کشاورزی به صورت غیر فشرده آغاز شد و در طول اعصار به تدریج فشرده تر شد. با این حال، مکان های مربوط به دوران نوسنگی و عصر برنز را پیدا کرده ایم که این باور را به چالش می کشد، تکه های کوچکی از زمین که به طور فشرده و با استفاده از روش هایی مانند کشاورزی کشاورزی می شدند. به عنوان کود دهی، آبیاری و وجین کردن محصولاتی مانند گندم یا جو؛ مکان هایی که در آنها تلاش زیادی انسان برای رشد محصولات انجام می شد.

ما همچنین متوجه شدیم که مکان‌های مربوط به عصر آهن و دوره روم که مناطق وسیع‌تری را در بر می‌گرفت، با شدت کمتری کشت می‌شدند، بنابراین ممکن است محصولات بیشتری کشت شوند، اما به‌اندازه‌ای که مناطق بزرگ‌تری را پوشش می‌دادند، به شدت کشت نمی‌شوند. در حالی که کشاورزی مدرن مشخصه می‌شود. با در بر گرفتن هر دو شیوه های کشاورزی فشرده و گسترده.

“تحقیقات ما روندهای کشاورزی زراعی را در طول زمان و اینکه چگونه شیوه های کشاورزی در محیط های مختلف متفاوت بوده است، برای ما آشکار کرده است.”

دست اندرکاران این پایگاه داده می گویند که این پایگاه یک منبع تحقیقاتی کلیدی برای دانشگاهیان شاغل در بوم شناسی و باستان شناسی است. این نقطه اوج 30 سال تحقیق از دانشگاهیان فعلی و قبلی در دانشگاه شفیلد و افرادی که اکنون در دانشگاه آکسفورد هستند، از جمله پروفسور باستان شناسی محیطی، مایک چارلز و پروفسور باستان شناسی اروپا، امی بوگارد است که کار را برای ایجاد بسته R جدید “WeedEco” که برای همه قابل دسترسی است.

الیزابت استرود، از دانشگاه آکسفورد، که توسعه بسته R جدید WeedEco را رهبری می کرد، گفت: “انتشار جدید برای اولین بار این مجموعه داده ها و مدل ها را برای هر کسی که علاقه مند به مطالعه تطبیقی ​​مزرعه زراعی گذشته و حال است، در دسترس قرار می دهد. که هر کسی از باستان‌شناسی با بودجه توسعه‌دهنده یا دانشگاهی، یا از طرف علوم گیاهی و بوم‌شناسی، می‌تواند مستقیماً با این تحقیق درگیر شود و تجزیه و تحلیل‌های خود را انجام دهد. پروژه‌های تحقیقاتی در دانشکده باستان‌شناسی دانشگاه آکسفورد، مانند FeedSax و AgricUrb. این کار نور جدیدی را در مورد چگونگی تولید محصولات اصلی جوامع مختلف در طول زمان روشن کرده است.

این پیشرفت می تواند به طور چشمگیری استفاده از آفت کش ها را کاهش دهد و فرصت های دیگری را برای تقویت سلامت گیاه باز کند. دانشمندان برای اولین بار میکروبیوم گیاهان را مهندسی کرده اند و شیوع باکتری های “خوب” را که از گیاه در برابر بیماری محافظت می کنند، افزایش می دهند.

یافته های منتشر شده در Nature Communications توسط محققان دانشگاه ساوتهمپتون، چین و اتریش، می تواند به میزان قابل توجهی نیاز به آفت کش های مخرب زیست محیطی را کاهش دهد.

آگاهی عمومی در مورد اهمیت میکروبیوم ما وجود دارد – تعداد بی شماری از میکروارگانیسم هایی که در داخل و اطراف بدن ما زندگی می کنند، به ویژه در روده ما. میکروبیوم های روده ما بر متابولیسم، احتمال بیماری، سیستم ایمنی بدن و حتی خلق و خوی ما تأثیر می گذارد.

گیاهان نیز میزبان طیف عظیمی از باکتری ها، قارچ ها، ویروس ها و سایر میکروارگانیسم ها هستند که در ریشه، ساقه و برگ آنها زندگی می کنند. در دهه گذشته، دانشمندان به شدت روی میکروبیوم‌های گیاهی تحقیق کرده‌اند تا بفهمند چگونه بر سلامت گیاه و آسیب‌پذیری آن در برابر بیماری‌ها تأثیر می‌گذارند.

دکتر تومیسلاو سرناوا، یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید: «برای اولین بار، ما توانسته‌ایم ترکیب میکروبیوم یک گیاه را به روشی هدفمند تغییر دهیم و تعداد باکتری‌های مفیدی را که می‌توانند گیاه را در برابر سایر باکتری‌های مضر محافظت کنند، افزایش دهیم. از مقاله و دانشیار در تعاملات گیاهی و میکروبی در دانشگاه ساوتهمپتون.

“این پیشرفت می‌تواند وابستگی به آفت‌کش‌ها را که برای محیط‌زیست مضر هستند، کاهش دهد. ما به این امر در محصولات برنج دست یافته‌ایم، اما چارچوبی که ایجاد کرده‌ایم می‌تواند برای گیاهان دیگر اعمال شود و فرصت‌های دیگری را برای بهبود میکروبیوم آنها باز کند. به عنوان مثال، میکروب هایی که مواد مغذی را برای محصولات افزایش می دهند، می توانند نیاز به کودهای مصنوعی را کاهش دهند.”

تیم تحقیقاتی بین المللی کشف کردند که یک ژن خاص که در خوشه بیوسنتز لیگنین گیا ه برنج یافت می شود در شکل دادن میکروبیوم آن نقش دارد. لیگنین یک پلیمر پیچیده است که در دیواره‌های سلولی گیا هان یافت می‌شود – زیست توده برخی از گونه‌های گیاهی از بیش از 30 درصد لیگنین تشکیل شده است.

ابتدا، محققان مشاهده کردند که وقتی این ژن غیرفعال شد، جمعیت باکتری های مفید خاصی کاهش یافت که اهمیت آن را در ترکیب جامعه میکروبیوم تایید می کند.

سپس محققان برعکس عمل کردند، ژن را بیش از حد بیان کردند، بنابراین یک نوع خاص متابولیت بیشتر تولید کرد – یک مولکول کوچک که توسط گیا ه میزبان در طی فرآیندهای متابولیکی تولید می‌شود. این باعث افزایش نسبت باکتری های مفید در میکروبیوم گیاه شد.

هنگامی که این گیا هان مهندسی شده در معرض Xanthomonas oryzae قرار گرفتند – یک پاتوژن که باعث سوختگی باکتریایی در محصولات برنج می شود، آنها به طور قابل ملاحظه ای نسبت به برنج نوع وحشی مقاوم تر بودند.

سوختگی باکتریایی در آسیا شایع است و می تواند منجر به کاهش قابل توجه عملکرد برنج شود. معمولاً با استفاده از آفت کش های آلاینده کنترل می شود، بنابراین تولید محصولی با میکروبیوم محافظ می تواند به تقویت امنیت غذایی و کمک به محیط زیست کمک کند.

تیم تحقیقاتی اکنون در حال بررسی این موضوع هستند که چگونه می‌توانند بر حضور سایر میکروب‌های مفید برای باز کردن فواید مختلف سلامتی گیا هان تأثیر بگذارند.

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.

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.

تحقیقات دانشگاه نیوکاسل به چشمه‌های آب گرم باستانی برای کشف منشأ حیات روی زمین روی می‌آورد.

این تیم تحقیقاتی که توسط شورای تحقیقات محیط زیست طبیعی بریتانیا تأمین مالی می شود، بررسی کردند که چگونه ظهور اولین سیستم های زنده از مواد زمین شناسی بی اثر در بیش از 3.5 میلیارد سال پیش روی زمین رخ داده است. دانشمندان دانشگاه نیوکاسل دریافتند که با اختلاط هیدروژن، بی کربنات و مگنتیت غنی از آهن در شرایط تقلید از دریچه گرمابی نسبتا ملایم، طیفی از مولکول‌های آلی تشکیل می‌شود که مهم‌ترین آنها شامل اسیدهای چرب با طول 18 اتم کربن است.

یافته‌های آن‌ها که در مجله Communications Earth & Environment منتشر شده است، به طور بالقوه نشان می‌دهد که چگونه برخی از مولکول‌های کلیدی مورد نیاز برای تولید حیات از مواد شیمیایی معدنی ساخته می‌شوند، که برای درک گامی کلیدی در چگونگی شکل‌گیری حیات روی زمین در میلیاردها سال پیش ضروری است. نتایج آنها ممکن است پیدایش قابل قبولی از مولکول‌های آلی که غشای سلولی باستانی را تشکیل می‌دهند، که احتمالاً به طور انتخابی توسط فرآیندهای بیوشیمیایی اولیه در زمین اولیه انتخاب شده‌اند، ارائه دهد.

اسیدهای چرب در مراحل اولیه زندگی

اسیدهای چرب مولکول‌های آلی بلندی هستند که دارای مناطقی هستند که هم آب را جذب و هم دفع می‌کنند که به طور طبیعی به طور خودکار محفظه‌های سلول مانندی در آب تشکیل می‌دهند و این نوع مولکول‌ها هستند که می‌توانند اولین غشای سلولی را بسازند. با این حال، با وجود اهمیت آنها، مشخص نبود که این اسیدهای چرب در مراحل اولیه زندگی از کجا آمده اند. یک ایده این است که آنها ممکن است در دریچه های گرمابی تشکیل شده باشند، جایی که آب داغ، مخلوط با مایعات غنی از هیدروژن که از دریچه های زیر آب مخلوط با آب دریا حاوی CO ₂ می آید .

این گروه جنبه های حیاتی محیط شیمیایی موجود در اقیانوس های اولیه زمین و اختلاط آب قلیایی داغ از اطراف انواع خاصی از دریچه های هیدروترمال را در آزمایشگاه خود تکرار کردند. آنها دریافتند که وقتی مایعات داغ غنی از هیدروژن با آب غنی از دی اکسید کربن در حضور مواد معدنی مبتنی بر آهن که در زمین اولیه وجود داشتند مخلوط می‌شوند، انواع مولکول‌های مورد نیاز برای تشکیل غشای سلولی اولیه را ایجاد می‌کنند.

نویسنده اصلی، دکتر گراهام پورویس، این مطالعه را در دانشگاه نیوکاسل انجام داد و در حال حاضر همکار پژوهشی فوق دکتری در دانشگاه دورهام است.

او گفت: “مرکز آغاز زندگی، محفظه های سلولی هستند که برای جداسازی شیمی درونی از محیط خارجی بسیار مهم هستند. این محفظه ها با تمرکز مواد شیمیایی و تسهیل تولید انرژی در تقویت واکنش های حیاتی موثر بودند و به طور بالقوه به عنوان سنگ بنای اولین لحظات زندگی عمل می کردند.

نتایج نشان می‌دهد که هم‌گرایی مایعات غنی از هیدروژن از دریچه‌های هیدروترمال قلیایی با آب‌های غنی از بی‌کربنات بر روی مواد معدنی مبتنی بر آهن، می‌تواند غشاهای ابتدایی سلول‌های اولیه را در همان ابتدای زندگی رسوب دهد. این فرآیند ممکن است تنوعی از انواع غشاء را ایجاد کرده باشد، برخی از آنها به طور بالقوه به عنوان مهد زندگی در هنگام شروع زندگی عمل می کنند. علاوه بر این، این فرآیند دگرگونی ممکن است به پیدایش اسیدهای خاص موجود در ترکیب عنصری شهاب‌سنگ‌ها کمک کرده باشد.

محقق اصلی دکتر جان تیلینگ، خواننده در بیوژئوشیمی، در دانشکده علوم محیطی طبیعی، افزود:

“ما فکر می کنیم که این تحقیق می تواند اولین گام را در مورد چگونگی پیدایش حیات در سیاره ما ارائه دهد. تحقیقات در آزمایشگاه ما اکنون برای تعیین دومین مرحله کلیدی ادامه دارد؛ اینکه چگونه این مولکول های آلی که در ابتدا به سطوح معدنی “چسبیده اند” می توانند به سمت بالا بروند. محفظه‌های سلول مانند محصور به غشای کروی را تشکیل می‌دهند؛ اولین پروتوسل‌های بالقوه که اولین حیات سلولی را تشکیل دادند.

جالب اینجاست که محققان همچنین پیشنهاد می‌کنند که واکنش‌های غشایی، واکنش‌های مشابه، هنوز هم می‌تواند در اقیانوس‌ها در زیر سطوح قمرهای یخی در منظومه شمسی امروز رخ دهد. این امکان منشأ زندگی جایگزین را در این جهان های دور افزایش می دهد.

تحقیقات جدید دانشگاه استرلینگ می تواند به پیشرفت های عمده در فرآیندهای پاکسازی نشت نفت دریایی منجر شود. مطالعه ابتکاری که توسط محقق دکتر سابین ماتالانا-سورگت و دکتر وید جفری از دانشگاه فلوریدا غربی رهبری شد، تأثیر نشت نفت Deepwater Horizon را بر روی باکتری‌های میکروسکوپی آب دریا که نقش مهمی در عملکرد اکوسیستم دارند، ارزیابی کردند.

دکتر Matallana-Surget، از دانشکده علوم طبیعی دانشگاه استرلینگ، از یک تکنیک پیشرو که بیشتر در علم پزشکی در طول کار میدانی در خلیج مکزیک استفاده می شود، استفاده کرد. یافته‌ها نشان می‌دهد که پراکنده‌کننده‌های شیمیایی نفت مورد استفاده برای کاهش تأثیر فاجعه Deepwater Horizon در سال 2010، پاسخ استرس را در باکتری‌ها بدتر کرد و آن اثرات مضر با قرار گرفتن در معرض نور خورشید تشدید شد.

 نشت نفت دریایی Deepwater Horizon – بزرگترین در تاریخ با 4.9 میلیون بشکه نفت خام رها شده در خلیج مکزیک – در بهار اتفاق افتاد، فصلی که با نور شدید خورشید در منطقه مشخص می شود. دکتر Matallana-Surget گفت: “ما نشان داده‌ایم که پراکنده‌کننده‌ها تأثیر عمیق‌تری بر تنظیم جوامع میکروبی نسبت به نشت نفت دارند. تنها در 24 ساعت، این مواد شیمیایی واکنش‌های استرس حاد را ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، نور خورشید نقش مهمی در تشدید سمیت پخش کننده در حضور نور خورشید و روغن، تنوع باکتری های تجزیه کننده هیدروکربن ضروری به طور قابل توجهی کاهش یافت. این نشان می‌دهد که نور خورشید می‌تواند ساختار شیمیایی روغن را تغییر دهد و آن را برای گونه‌های باکتریایی خاص سمی‌تر کند.

“مطالعه ما همچنین تاثیر روغن و مواد پراکنده بر فتوسنتز سیانوباکتری ها را نشان داد و بر تعاملات پیچیده بین آلاینده ها، نور خورشید و جوامع میکروبی در خلیج مکزیک تاکید کرد.” این تحقیق برای جامعه و صنعت اهمیت بین المللی دارد زیرا درک تأثیر واکنش های نشت نفت را عمیق تر می کند. دکتر Matallana-Surget افزود: “با درک اینکه چگونه پراکنده کننده ها بر جوامع میکروبی در حضور تجزیه کننده های هیدروکربن طبیعی تاثیر می گذارند، ما به استراتژی های موثرتر پاکسازی نشت نفت کمک می کنیم. مزایای آن در سطح جهانی گسترش می یابد، زیرا اکوسیستم های دریایی در سراسر جهان با چالش های مشابهی روبرو هستند.

“یافته‌ها پتانسیل تاثیرگذاری بر سیاست‌های زیست‌محیطی و رویه‌های پاک‌سازی در مقیاس بین‌المللی را دارند. پیامدهای این مطالعه به حفاظت از محیط‌زیست گسترش می‌یابد، بر استراتژی‌های آینده برای کاهش اثرات چنین حوادثی و حفاظت از اکوسیستم‌های دریایی تاثیر می‌گذارد.” در میان کشورهایی که می‌توانند از مزایای آن بهره ببرند. دکتر Matallana-Surget گفت: “این مطالعه در درجه اول بر تأثیر نشت نفت در خلیج مکزیک متمرکز است، اما نتایج آن برای سیاست گذاران در مناطقی مانند اسکاتلند که با چالش های مشابه مواجه هستند، مرتبط است. نشت روغن

بینش به‌دست‌آمده از تحقیقات ما می‌تواند راهنمایی‌های ارزشمندی برای ایجاد سیاست‌ها و استراتژی‌های واکنش مؤثر در این محیط‌های قابل مقایسه باشد. در این مطالعه محققان نشت نفت را در آب های جمع آوری شده در ساحل پنساکولا در فلوریدا شبیه سازی کردند. نفت خام با و بدون پراکنده تحت نور خورشید و شرایط تاریک اضافه شد و موجودات بزرگتر فیلتر شدند. استفاده از ابزارهای مولکولی پیشرفته در این مطالعه که معمولاً در علم پزشکی به کار می‌روند، آن را در خط مقدم تحقیقات علوم محیطی قرار می‌دهد.

دکتر Matallana-Surget که پیشگام این تکنیک است، گفت: “این امکان تجزیه و تحلیل دقیق تر و جامع تر واکنش جوامع میکروبی به نشت نفت را فراهم می کند.” ابزارهای مولکولی پیشرفته برای رسیدگی به نگرانی های حیاتی در حفاظت از دریا. این رویکرد نوآورانه نشان‌دهنده تغییر تحولی است که دقت و عمق تحقیقات نشت نفت را افزایش می‌دهد و تلاش‌های آینده را برای حفظ سلامت اقیانوس‌های ما هدایت می‌کند.»

پژوهشی که توسط دانشگاه استرلینگ انجام شد، یک همکاری بین‌المللی با دانشمندانی از دانشگاه فلوریدا غربی (ایالات متحده آمریکا)، دانشگاه سوربن (فرانسه)، دانشگاه مونس (بلژیک) و دانشگاه توبینگن (آلمان) بود. دکتر Matallana-Surget اضافه کرد: “این پروژه هرگز بدون تلاش واقعاً هماهنگ تیمی از همکاران بلندمدت که نقشی اساسی در گردآوری نتایج این مطالعه جاه طلبانه ایفا کرده اند، ممکن نبود.” مقاله Clarifying the dark: افشای دینامیک باکتریایی در پاسخ به آلودگی نفت خام، پراکنده کننده Corexit و نور طبیعی خورشید در خلیج مکزیک در مجله Frontiers در علوم دریایی ، در شماره ویژه تغییر محیط ها تحت عنوان Omics Insights Into Coast Pelagic Microbiome منتشر شد. 

لیتوسفر اقیانوسی، که لایه بالایی شامل پوسته زمین و گوشته زیر اقیانوس ها را تشکیل می دهد، به دلیل رفتار عجیبش مدت هاست که دانشمندان را مجذوب خود کرده است. به نظر می‌رسد این لایه روی ناحیه ضعیف‌تری به نام استنوسفر می‌لغزد که با تضعیف لرزه‌ای بالا و سرعت موج برشی کم مشخص می‌شود. استنوسفر دارای خواص فیزیکی متفاوتی از جمله ویسکوزیته کمتر نسبت به لیتوسفر است که در نتیجه یک مرز تیز به نام مرز لیتوسفر-آستنوسفر (LAB) ایجاد می شود. دلایل دقیق این ویژگی‌های متمایز و اینکه چگونه لیتوسفر را قادر می‌سازد بر روی استنوسفر حرکت کند، به‌وضوح درک نشده است.

در حالی که ذوب جزئی که در نزدیکی پشته‌های میانی اقیانوس به دلیل دماهای بالا رخ می‌دهد می‌تواند چنین شرایط غیرعادی ایجاد کند، افت شدید و بزرگ در سرعت امواج لرزه‌ای مشاهده‌شده در LAB دور از پشته‌های میانی اقیانوس را در نظر نمی‌گیرد. درک منشأ این افت سرعت موج لرزه‌ای و تضعیف آن در LAB اقیانوسی برای رمزگشایی ویسکوزیته پایین استنوسفر و چگونگی تسهیل حرکت صفحات تکتونیکی بر روی سطح زمین و ایجاد فرآیندهای کوه‌سازی، زلزله و آتشفشان‌ها بسیار مهم است.

در همین راستا، تیمی از محققان ژاپنی به سرپرستی پروفسور تاکاشی یوشینو از مؤسسه مواد سیاره‌ای در دانشگاه اوکایاما، اخیراً تأثیر آب را بر خواص لرزه‌ای سنگ‌های الیوین بدون تیتانیوم، مشابه آنچه در استنوسفر مطالعه آنها در جلد 120، شماره 32 مجله Proceedings of the National Academy of Sciences در 31 ژوئیه 2023 منتشر شد.

پروفسور یوشینو توضیح می دهد: “ما به طور تجربی ویژگی های تضعیف امواج لرزه ای، پارامترهایی برای تعیین نرمی لیتوسفر و استنوسفر، تحت دما و فشار بالا را با استفاده از فناوری تولید نوسانات دوره کوتاه خود تعیین کردیم.”

این تیم خواص ضد الاستیک سنگ‌های الیوین را تحت شرایطی که شبیه LAB در زیر کف اقیانوس قدیمی بود مورد مطالعه قرار دادند – فشار 3 گیگا پاسکال و دمایی در محدوده 1223 تا 1373 کلوین. آزمایش با ایجاد ارتعاشات اجباری در طیف گسترده ای از فرکانس های لرزه ای – 0.5 تا 1000 ثانیه – از طریق فناوری منحصر به فرد نوسان دوره کوتاه آنها.

آزمایش‌ها نشان داد که آب تأثیر قابل‌توجهی دارد و باعث افزایش پراکندگی انرژی و کاهش مدول الاستیک سنگ‌ها در طیف وسیعی از فرکانس‌ها می‌شود. علاوه بر این، محققان یک اوج تضعیف لرزه ای را در فرکانس های بالاتر از 1 تا 5 ثانیه مشاهده کردند که با افزایش محتوای آب آشکارتر شد. پروفسور یوشینو می گوید: “وجود آب باعث تضعیف در فرکانس های بالاتر می شود و منجر به کاهش سرعت امواج لرزه ای می شود. وجود آب همچنین باعث تضعیف استنوسفر می شود که به لیتوسفر اجازه می دهد تا به آرامی روی آن حرکت کند.”

این مشاهدات نشان می دهد که استنوسفر اقیانوسی باید حاوی آب باشد. این تفاوت در محتوای آب بین دو لایه تشکیل دهنده LAB می تواند افت سرعت تیز و همچنین تضعیف تقریبا ثابت مشاهده شده در یک محدوده فرکانس وسیع در استنوسفر را توضیح دهد.

شایان ذکر است، محققان اذعان می‌کنند که نتیجه‌گیری آنها تأثیر ناچیزی آهن بر نقص‌های مربوط به هیدروژن در سنگ‌ها را فرض می‌کند، که نشان‌دهنده نیاز به تحقیقات بیشتر برای کشف خواص ضد الاستیک سنگ‌های الیوین حاوی آهن است.

پروفسور یوشینو پیامدهای دراز مدت یافته های خود را برجسته می کند. او می‌گوید: «حضور آب در استنوسفر می‌تواند بینش‌های مهمی در مورد فعالیت‌های آتشفشانی و لرزه‌ای ارائه کند، بنابراین پیش‌بینی و تشخیص آن‌ها را تسهیل می‌کند».

به طور کلی، این مطالعه به درک ما از حرکت صفحات تکتونیکی کمک می کند و راه را برای درک بهتر فعالیت های زمین ساختی مختلف هموار می کند.