Un approccio di analisi del ciclo di vita al contenuto nutrizionale degli alimenti

Sintesi dei metodi e dei risultati

Utilizzando una metodologia LCA per misurare l'impatto ambientale sulla produzione alimentare, sono arrivato ai "costi" ambientali di una varietà di nutrienti derivati ​​da un elenco di 38 alimenti.

Alimenti in studio.

Ho utilizzato i seguenti dati sulla produzione per chilogrammo di prodotto alimentare:

• Emissioni di GHG dalla filiera totale (kg CO2e)
• Prelievi acqua dolce (m³)
• Emissioni eutrofizzanti (kg PO4e)
• Uso del suolo (m³)

• Danni alla salute umana (anni di vita corretti per malattia)
• Danni agli ecosistemi (Species Year aka Time Integrated Species Loss)

I costi ambientali della produzione, vale a dire i gas a effetto serra, l'utilizzo dell'acqua, l'uso del suolo e le emissioni di eutrofizzazione, hanno effetti diversi su ciascuno degli endpoint misurati; danni alla salute umana e all'ecosistema .

Qui vediamo che l'orzo ha il più alto contenuto proteico per DALY (una misura del danno alla salute umana) che ha contribuito alla sua produzione, mentre le noci forniscono la maggior parte delle proteine ​​per unità di distruzione dell'ecosistema.

La combinazione dei due endpoint in un unico punteggio è controversa ma preziosa per riassumere il contenuto. La controversia nasce dalla quantificazione dell'equivalenza tra danno alla salute umana e danno all'ecosistema, ovvero quanto è peggiore la perdita di specie rispetto alla perdita di vite umane? La combinazione dei punteggi richiede un giudizio di valore sulla ponderazione dell'importanza relativa di tali endpoint.

Qui ho affermato che sono equivalenti e ho fatto una classifica delle migliori fonti di nutrienti per impatto ambientale.

Di seguito sono riportate le cinque migliori fonti di nutrienti, misurate dall'impatto relativo medio sia sulla salute umana che sui danni all'ecosistema.

Fine del sommario.

I dati

In questo studio sto combinando il set di dati integrato McCance e Widdowsons Composition of Foods con la meta-analisi di Poore & Nemecek sugli impatti ambientali della produzione alimentare per arrivare a un'analisi del contenuto nutrizionale per categoria di danno dell'endpoint. La prima fonte contiene il contenuto nutrizionale di tutti gli alimenti coinvolti, mentre la seconda contiene i costi ambientali medi associati alla produzione di un chilogrammo di alimento.

Istantanea dei dati uniti in Excel

Il risultante danno all'endpoint causato nella produzione alimentare viene quindi valutato tramite l' algoritmo ReCiPe LCA, per gentile concessione di PreSustainability .

Che cos'è l'LCA?

L'analisi del ciclo di vita è lo studio di tutti gli input e gli output di un sistema per comprendere gli impatti ambientali. LCA tenta di qualificare e quantificare domande come l'apparentemente insensato ma importante, "in che modo il riscaldamento globale è dannoso e quali danni provoca?" I metodi dell'LCA collegano i risultati misurabili della produzione umana, chiamati punti medi , a danni o conseguenze finali, chiamati punti finali , attraverso un collegamento chiamato percorso del danno .

Nell'algoritmo LCA che stiamo usando oggi, chiamato ReCiPe, ci sono 18 categorie di midpoint, collegate a 3 endpoint tramite 9 percorsi di danno.

In questo studio, esamineremo solo quattro categorie intermedie nella produzione di alimenti e i loro effetti su due endpoint.

I quattro punti medi sono:

1. Riscaldamento globale: misurato dalle emissioni di gas serra in tutte le fasi della produzione alimentare
2. Uso/trasformazione del suolo: misurato dal terreno necessario per coltivare il cibo
3. Eutrofizzazione dell'acqua dolce: misurata dal fosfato nel deflusso
4. Prelievi di acqua dolce: misurati in consumo totale di acqua

1. Danni alla salute umana: misurati in anni di vita corretti per disabilità (DALYS)
2. Danno agli ecosistemi: misurato dalla perdita di specie integrata nel tempo (Species.yr)

Endpoint, o le misurazioni finali del danno

Gli endpoint sono la conseguenza finale che miriamo a misurare dalla lunga catena di causa ed effetto dell'attività umana oggetto di studio. Ne stiamo guardando solo due.

Il danno alla salute umana è il primo ed è misurato in DALY. Un DALY rappresenta un anno perduto di "vita sana". Questa perdita di un anno sano può essere diffusa tra una popolazione. Quindi, se accadesse qualcosa che facesse perdere a 10 persone 0,1 anni di vita sana, l'effetto totale verrebbe misurato come 1 DALY.

I due percorsi di danno rilevanti che contribuiscono ai DALY nel nostro studio sono:

1. Aumento della malnutrizione
2. Aumento della malattia

Descrizione dei punti intermedi e loro rilevanza

Punto medio: cambiamento climatico (misurato tramite kg CO2e)

Ruolo

L'agricoltura è una grande fonte di gas a effetto serra (GHG) a livello globale, con stime comprese tra il 13% e il 21% delle emissioni antropogeniche provenienti dall'agricoltura. Le emissioni sono suddivise tra:

• Anidride carbonica: utilizzo di trattori e attrezzature nella produzione, spedizione e conservazione degli alimenti
• Metano: l'allevamento di animali, in particolare con i ruminanti, costituisce un'enorme fetta delle emissioni totali di gas serra
• Protossido di azoto: da fertilizzanti sia sintetici che organici

Percorsi di danno

La scienza del riscaldamento globale è abbastanza sviluppata anche se ci sono grandi questioni in sospeso. Ciò che è quasi certo è che le emissioni di gas serra causano un aumento della temperatura media globale, che ha un effetto a cascata sia sul benessere umano che sulla salute dell'ecosistema.

C'è molta matematica e scienza dietro la successiva conversione da kg di GHG a danni alla salute umana e agli ecosistemi. Il percorso è qualificato sopra, ma se qualcuno desidera vederlo quantificato, incoraggio quelli abbastanza coraggiosi da ispezionare la matematica qui .

Infine, i percorsi del danno vengono combinati per ottenere un risultato finale sul danno causato per kg di CO2e.

La colonna dell'area di protezione sopra descrive l'endpoint. Le unità si allineano con i dati in nostro possesso sulla produzione alimentare, ovvero Kg CO2e. In questo modo possiamo tradurre le emissioni di gas serra in DALY e anni di specie.

Per esempio:

Nella produzione di un kg di mele, vediamo che vengono emessi 0,43 kg di CO2e.

Moltiplicando le nostre cifre insieme:

(.43 kgCO2e / kg mele) x (9.28x10^-7 DALY / kgCO2e) = 3.99x10^-7 DALY / kg mele.

Detto in un altro modo; Le emissioni di gas serra derivanti dalla produzione di un chilogrammo di mele portano a 0,000000399 DALY.

Poiché il riscaldamento globale ha effetti sia sulla salute umana che sui danni all'ecosistema, ripetiamo il calcolo con diversi fattori per valutare i danni alle specie; sommando i fattori dell'ecosistema terrestre e acquatico:

(.43 kgCO2e / kg mele) x (2.80x10^-9 Specie.anno / kg CO2e) +

(.43 kgCO2e / kg mele) x (7.65x10^-14 Specie.anno / kg CO2e) = 1.29x10^-9 Specie Anni.

Detto in un altro modo;

Le emissioni di gas serra derivanti dalla produzione di un chilogrammo di mele portano a

0,0000000012 specie perse nel corso di un anno.

Punto medio: uso del suolo (misurato in m²)

Ruolo

Gli umani erano nomadi, raramente si stabilivano da qualche parte per lunghi periodi di tempo. In quell'epoca passata il loro impatto sulla terra era relativamente piccolo. L'avvento dell'agricoltura ha permesso agli esseri umani di rimanere fermi, costringendo la terra a servire i loro scopi. Da allora gli esseri umani hanno ripulito le foreste per coltivare raccolti e sostenere il bestiame. Ha senso che una parte enorme della terra del mondo sia utilizzata per l'agricoltura. L'uso e l'uso improprio del suolo erano e rimangono un enorme contributo al danno per l'ecosistema.

Percorsi di danno

La quantità di danni all'ecosistema causati da un'unità di utilizzo della superficie terrestre varia in base a ciò che la terra stava facendo prima. Ad esempio, se si livella una foresta pluviale tropicale per piantare alberi da olio di palma, è probabile che si provochino più danni all'ecosistema misurati dalla perdita di specie che se si riuscisse a piantare un frutteto nella tundra artica.

L'uso del suolo varia a seconda del tipo di coltura piantata, ma i dati complessivi sono descritti qui.

Si noti che l'uso del suolo influisce solo sulla salute dell'ecosistema, non sulla salute umana.

Rivisitando il nostro esempio di mela...

Le mele impiegano 0,63 m² di terreno per produrre un kg di prodotto.
Moltiplicando i nostri fattori insieme si ottengono 5,59x10^-9 specie anni.

Punto medio: emissioni eutrofizzanti (misurate tramite kg di PO4e o equivalente di fosfato)

Ruolo

I fertilizzanti hanno consentito la massiccia crescita della razza umana negli ultimi secoli, aumentando i raccolti a livelli mai visti dalle generazioni precedenti. Il fertilizzante funziona essenzialmente aggiungendo azoto extra al terreno di una coltura. L'azoto è un componente chiave della molecola di clorofilla di una pianta e ottenerne una quantità maggiore aumenta notevolmente la crescita della pianta. È stato detto che l'elemento carbonio determina la quantità di vita in un bioma, mentre l'azoto determina la qualità.

Percorsi di danno

Uno degli effetti collaterali della produzione di così tanti fertilizzanti ricchi di azoto (a parte il fatto che la sua produzione dipende molto dai combustibili fossili) è che gran parte di essi si riversa negli ambienti acquatici, portando a una situazione nota come eutrofizzazione. L'eutrofizzazione è quando un corpo idrico si arricchisce eccessivamente di sostanze nutritive, il che provoca fioriture algali e altri fenomeni che degradano la ricchezza ecologica dell'ambiente acquatico. L'eutrofizzazione è misurata in equivalenti di fosfato o fosforo, che misura l'elemento fosforo invece dell'azoto. A tutti gli effetti si possono sostituire i due elementi, in quanto entrambi vengono utilizzati nei fertilizzanti perché stimolano la crescita della clorofilla, mentre sono dannosi per gli ambienti acquatici per lo stesso motivo.

Nel nostro esempio di mela dobbiamo stare attenti, perché i nostri dati hanno gli equivalenti di fosfato per un chilogrammo di mele (kg PO4e) mentre il nostro fattore richiede l'equivalente di fosforo (kg Pe).

I pesi atomici degli atomi coinvolti devono essere utilizzati per ottenere la ponderazione appropriata:

Poiché il fosforo ha un peso atomico di 31, mentre l'ossigeno ha un peso atomico di 16, il fattore di ponderazione appropriato che va da PO4e → Pe è:

(31 / (31 + 4*16)) = 0,33

Quindi moltiplicare i fattori come abbiamo fatto in precedenza per arrivare a 3,17x10^-10 specie anni per chilogrammo di mele.

Punto medio: Prelievi di acqua dolce (misurati in m³)

Ruolo

Le piante hanno bisogno di acqua per crescere. Così fanno le mucche per quella materia. A seconda di dove ti trovi e di cosa stai coltivando, il bisogno di acqua non è affatto un problema o è il più grande fattore di stress per il tuo raccolto e per l'ambiente. Un estremo sarebbero le mandorle coltivate in California, dove viene coltivato l'80% delle mandorle del mondo , nonostante l'estremo stress idrico che lo stato deve affrontare. Oltre il 10% del consumo totale di acqua dello stato è dedicato solo a quella coltura. Un altro estremo sarebbe la coltivazione della manioca, che non richiede quasi nessuna acqua, e ha attirato l' attenzione di Billy Gate come cultivar chiave nella lotta alla fame nel mondo.

Percorsi di danno

L'utilizzo di acqua dolce è simile alle emissioni di gas serra in quanto influisce su entrambi gli endpoint LCA.

Le equazioni per il calcolo del danno all'endpoint dai prelievi di acqua dolce sono affascinanti; tenendo conto del clima della regione, dell'indice di sviluppo umano e di molti altri biomarcatori. Ancora una volta, chiunque sia curioso e coraggioso dovrebbe considerare le formulazioni qui .

Per completare il nostro esempio di mele, una volta sommati tutti i percorsi di danno, un chilogrammo di mele provoca un totale di 7,99x10^-7 DALY e 7,12x10^-9 Specie anni.

***Questi numeri sono probabilmente inferiori ai danni reali a causa dell'esclusione degli altri percorsi di impatto.***

Aggiunta dell'elemento nutritivo, classificazione dei nostri alimenti e discussione

Dopo aver eseguito i calcoli LCA per ciascuno dei nostri 38 alimenti, possiamo vedere il danno totale DALY e Specie anni a cui contribuisce un chilogrammo di cibo. Successivamente possiamo normalizzare quegli endpoint al contenuto nutrizionale del cibo in questione.

Estendendo il nostro esempio di mele, possiamo esaminare la quantità di nutrienti in determinati alimenti per impatto DALY della loro produzione:

L'istantanea mostra che puoi ottenere 7,51x10⁷ grammi di proteine ​​dalle mele prima di contribuire a un DALY, mentre puoi ottenere 6,97x10⁷ grammi di proteine ​​dall'orzo prima di contribuire a un DALY.

E qui gli stessi alimenti e sostanze nutritive per anno di specie.

Utilizzando questi dati possiamo arrivare alle fonti migliori e peggiori di nutrienti in base al loro impatto ambientale totale.

Invece di combinare i due punteggi per arrivare alla nostra classifica dei nutrienti, ho preso la loro forza relativa rispetto ai loro pari, combinando invece i loro percentili relativi di danno.

Ecco di nuovo la classifica risultante per chiarezza.

L'orzo sembra un chiaro vincitore in molte categorie, compresi gli ambiti premi per proteine ​​e calorie!

Discussione

Orzo?! Chi vuole parlarne? Mettiamolo da parte e parliamo di patate dolci...

Mentre le patate dolci contengono solo 17 g di proteine ​​per chilogrammo (258 g di arachidi, 197 g di manzo, 122 g di riso selvatico) occupano il secondo posto nella classifica delle migliori fonti di proteine. Questo perché le patate dolci hanno un impatto ambientale quasi nullo . Dei 38 alimenti studiati, hanno il minor impatto sia sulla salute umana che sulla salute dell'ecosistema per chilogrammo di produzione. Hanno un impatto così basso che confrontandoli con la carne bovina si ottengono risultati comici. La carne bovina è tra le 200 e le 700 volte peggiore delle patate dolci per l'ambiente, a seconda che tu stia osservando i DALY o i danni all'ecosistema. L'equivalenza è sbalorditiva: un tortino di hamburger da 100 g o 70 kg di patate dolci!

Se confrontiamo le proteine ​​nelle due porzioni, l'hamburger da 100 g ti dà il 39% del valore giornaliero raccomandato, mentre le patate dolci da 70 kg ti danno il 2380%

Se a tutti sul pianeta fosse assegnato un budget ambientale, cioè si potrebbe fare solo così tanto danno all'anno con le proprie abitudini di consumo, penso che molte persone lascerebbero cadere l'hamburger per i 70 kg di patate dolci. Pensa a tutte le torte e le patatine fritte...

Sarebbe sbagliato non menzionare gli spinaci. Se confronto i percentili medi del contenuto di nutrienti per impatto ambientale, gli spinaci battono anche la possente patata dolce e il noioso orzo. Puoi vedere sulla classifica che gli spinaci hanno tonnellate di vitamine e minerali.

Piani per lo studio futuro

• Ottimizzazione dei nutrienti: impostazione di limiti sul "costo ambientale" totale e ricerca di diete ottimali
• Punteggio alimentare: apprendimento delle metodologie nutrizionali per valutare gli alimenti
• Aggiunta di più dati sull'impatto: più dati sul percorso dell'impatto, meglio è
• Aggiunta del prezzo: giocherellare con i prezzi può essere interessante (creare una miscela ponderata di prezzo del cibo e prezzo per l'ambiente)

Questa è la mia prima volta, quindi sii gentile. Questo non è un LCA ufficiale per il cibo perché sono solo un principiante. Le tecniche LCA denunciano esplicitamente utilizzando un insieme limitato di percorsi di impatto come ho fatto qui. Non potevo farne a meno.

Il nostro mondo nei dati è stato una grande ispirazione.

Pre-sostenibilità e software SimaPro.

McCance e Widdowson

Nemecek e Poore

Quanto fanno male le banane?