Mellanvästern i USA producerar minst en tredjedel av världens tillgång på majs och sojabönor varje år. Att föda världen kräver mycket gödsel, mestadels i form av kväve och fosfor. Även om kväve bokstavligen kan dras ur luften, Fosfor måste brytas från ändliga fosfatbergarter och behandlas för att göras tillgänglig för växter. Det mesta av världens fosfatsten finns i Marocko, och någon gång kommer dessa reserver att ta slut.

Dessutom, en del av den fosfor som appliceras på jordbruksfält går förlorad genom erosion, förs bort med jordpartiklar i vattendrag, där det ansluter sig till fosforprodukter som avlägsnas från avloppsreningsverk, boskapsverksamhet, och andra punktkällor. När det byggs upp i mottagande vattendrag, fosfor kan försämra vattenkvaliteten och bidra till "döda zoner" som inte längre stöder vattenlevande liv.

En ny Journal of Environmental Quality rapport från University of Illinois beskriver genomförbarheten av återvinning av fosfor i regional skala i Mellanvästern, samtidigt lösa problemet med en osäker global tillgång och minimera förluster från jordbruksmarker.

"Det är mycket fosfor som flyttas runt, från gödning hela vägen till avlopp. Just nu är det mest en enkelriktad gata. Det hamnar i slutändan i avfallsströmmar, som septiktankar eller avloppsvatten från punktkällor som avloppsreningsverk. Men det finns mycket värde i den fosforn. Vi kan fånga upp det och återanvända det som gödningsmedel, " säger Andrew Margenot, biträdande professor vid Institutionen för växtvetenskaper i Illinois och huvudförfattare till rapporten. "Vi försöker göra cirkulärt något som för närvarande är en enkelriktad bana."

Konceptet att återvinna fosfor i Mellanvästern är inte helt nytt. En studie från Kanada från 2016 föreslog först idén att det amerikanska majsbältet skulle kunna vara helt självförsörjande med sina jordbruksfosforbehov om all avfallsfosfor återvinns. Men U of I-rapporten representerar första gången biogeokemister, ekonomer, och ingenjörer har gått samman för att överväga den verkliga genomförbarheten av ett holistiskt fosforåtervinningssystem i Mellanvästern.

Forskarna övervägde alla avfallskällor av fosfor i USA, och finslipade på flera som förbisetts i tidigare tankeexperiment, inklusive majs etanol och sojabönor bearbetningsanläggningar. De fokuserade sedan på de former av fosfor som flödar genom systemet, en annan nyckelaspekt som inte helt fångas i tidigare studier.

Fosfat, en vanlig form av fosfor i avfallsströmmar, är mycket lösligt i vatten. För att undvika att tappa den i avfallsströmmar, vattnet kan behandlas med medel för att få fosfat att sedimentera. Dock, Dessa medel gör också fosfat olösligt och därför mindre tillgängligt för upptag av växter.

"Det finns en inneboende spänning mellan förmågan att återvinna fosfor från avloppsvatten, vilket gör det olösligt, och dess användbarhet som gödningsmedel. Olösliga former löser sig inte lika lätt, så de är mindre användbara direkt. Det är en agronomisk anledning till att vi inte kan återanvända 100 procent av det som strömmar genom avfallsströmmarna. Men vi kan leka med återhämtningens kemi för att matcha rätt jordtyp och gröda, " säger Margenot. "Vi måste överväga sammanhanget vi har att göra med. Vi tror att vi kan övervinna dessa utmaningar genom att utnyttja expertis över vetenskapliga discipliner."

En av de största vägspärrarna för att etablera en cirkulär fosforekonomi i Mellanvästern är den nuvarande kostnaden för gödningsmedel. Pund för pund, fosforgödsel är dyrare än kväve, men för tillfället, det är mycket billigare än den nuvarande kostnaden för återvunnen fosfor.

Några få reningsanläggningar för avloppsvatten i Mellanvästern återvinner redan fosfor, men det kommer att krävas stora investeringar och engagemang för att bygga upp den infrastruktur som behövs för att se över hela systemet. Och det inkluderar inte kostnaderna som krävs för att transportera återvunnen fosfor från punktkällor till fält, speciellt i tunga, våta former som fytin - ett organiskt material rikt slam som blivit över från sojabönbearbetning.

Forskarna säger att fosforhandelssystem, liknande koldioxidkrediter, kan vara en del av lösningen.

"I artikeln, vi talar om möjligheten att punktkällor betalar jordbrukare för att ta återvunnen fosfor ur deras händer. Vårt jobb som forskare är att visa bönder att dessa alternativa fosforkällor inte kommer att äventyra skördarna och kan spara pengar på fosforinsatsen, säger Margenot.

Han pekar på pågående fältexperiment från sitt labb som visar att struvit - en oorganisk, grynig, långsamt frigörande form av fosfor som kan återvinnas från flera avfallsströmmar - kan nästan helt ersätta traditionella fosforgödselmedel utan skördeförlust för flera grödor. Struvitens låga vattenlöslighet gör det mindre sannolikt att flytta från fältet till omgivande vattendrag. Dessa potentiella fördelar med vattenkvalitet är föremål för pågående studier som en del av Margenots forskningsprojekt finansierat av näringsämnesforskning och utbildningsråd i Illinois.

I sista hand, forskarna tror att en cirkulär fosforekonomi är möjlig för Mellanvästern.

"Jag tror att vi har förbisett fosfor lite i mellanvästerns system, där det ofta handlar om kväve. Men på många sätt, fosfor är lättare att hantera än kväve. Vi kan fånga den och tvinga den att flöda genom jordbrukets produktionskedja på sätt som är fördelaktiga för bönderna och miljön. Fosfor är lågt hängande frukt, säger Margenot.

Artikeln, "Mot en regional fosfor(åter)cirkulation i USA:s mellanvästern, " publiceras i Journal of Environmental Quality .