Uma abordagem de análise do ciclo de vida para o conteúdo nutricional dos alimentos

Resumo dos Métodos e Resultados

Usando uma metodologia LCA para medir o impacto ambiental na produção de alimentos, cheguei aos 'custos' ambientais de uma variedade de nutrientes derivados de uma lista de 38 alimentos.

Alimentos em estudo.

Usei os seguintes dados sobre a produção por quilo de produto alimentício:

• Emissões de GEE da cadeia de abastecimento total (kg CO2e)
• Retiradas de água doce (m³)
• Emissões eutrofizantes (kg PO4e)
• Uso do solo (m³)

• Danos à saúde humana (anos de vida ajustados por doença)
• Danos aos ecossistemas (ano da espécie, também conhecido como perda de espécies integradas no tempo)

Os custos ambientais da produção, ou seja, GEE, uso da água, uso da terra e emissões de eutrofização, têm efeitos diferentes em cada um dos parâmetros medidos; saúde humana e danos ao ecossistema .

Aqui vemos que a cevada tem o maior teor de proteína por DALY (uma medida de dano à saúde humana) contribuído em sua produção, enquanto as nozes fornecem a maior quantidade de proteína por unidade de destruição do ecossistema.

Combinar os dois pontos finais em uma única pontuação é controverso, mas valioso para resumir o conteúdo. A controvérsia decorre da quantificação da equivalência dos danos à saúde humana aos danos aos ecossistemas, ou seja, quão pior é a perda de espécies do que a perda de vidas humanas? A combinação de pontuações requer um julgamento de valor sobre a ponderação da importância relativa desses pontos finais.

Aqui afirmei que são equivalentes e fiz um leaderboard das melhores fontes de nutrientes por impacto ambiental.

Abaixo estão as cinco melhores fontes de nutrientes, conforme medido pelo impacto médio relativo à saúde humana e danos ao ecossistema.

Fim do resumo.

Os dados

Neste estudo, estou combinando o conjunto de dados integrados McCance e Widdowsons Composition of Foods com a meta-análise de Poore & Nemecek sobre os impactos ambientais da produção de alimentos para chegar a uma análise do conteúdo nutricional por categoria de dano final. A primeira fonte contém o conteúdo nutricional de todos os alimentos envolvidos, enquanto a segunda contém os custos ambientais médios associados à produção de um quilo de alimento.

Instantâneo dos dados mesclados no Excel

O dano final resultante causado na produção de alimentos é então avaliado por meio do algoritmo ReCiPe LCA, cortesia da PreSustainability .

O que é LCA?

A Análise do Ciclo de Vida é o estudo de todas as entradas e saídas de um sistema para entender os impactos ambientais. A LCA tenta qualificar e quantificar questões como a aparentemente fútil, mas importante, 'como o aquecimento global é ruim e que danos ele causa?' Os métodos em LCA vinculam as saídas mensuráveis ​​da produção humana, chamadas de pontos médios , em danos ou consequências finais, chamados de pontos finais , por meio de uma ligação chamada caminho de dano .

No algoritmo LCA que estamos usando hoje, chamado ReCiPe, existem 18 categorias de ponto médio, ligadas a 3 pontos finais por meio de 9 vias de dano.

Neste estudo, veremos apenas quatro categorias intermediárias na produção de alimentos e seus efeitos em dois pontos finais.

Os quatro pontos médios são:

1. Aquecimento Global: medido pelas emissões de GEE em todas as etapas da produção de alimentos
2. Uso/transformação da terra: medido pela terra necessária para cultivar os alimentos
3. Eutrofização de água doce: medida por fosfato no escoamento
4. Retiradas de água doce: medidas em consumo total de água

1. Danos à saúde humana: medidos por Anos de Vida Ajustados por Incapacidade (DALYS)
2. Danos aos ecossistemas: medidos pela perda de espécies integrada no tempo (Species.yr)

Endpoints, ou as medições finais de danos

Os pontos finais são a consequência final que pretendemos medir da longa cadeia de causa e efeito da atividade humana em estudo. Estamos olhando para apenas dois.

Danos à saúde humana são os primeiros e são medidos em DALYs. Um DALY representa um ano perdido de 'vida saudável'. Essa perda de um ano saudável pode se espalhar entre uma população. Portanto, se algo ocorresse que fizesse 10 pessoas perderem 0,1 ano de vida saudável, o efeito total seria medido como 1 DALY.

As duas vias de dano relevantes que contribuem para DALYs em nosso estudo são:

1. Aumento da desnutrição
2. Aumento da doença

Descrição dos pontos médios e sua relevância

Ponto médio: Mudança Climática (medido por kg CO2e)

Papel

A agricultura é uma grande fonte de gases de efeito estufa (GEE) globalmente, com estimativas de algo entre 13% e 21% das emissões antrópicas provenientes da agricultura. As emissões são divididas entre:

• Dióxido de carbono: uso de tratores e equipamentos na produção, transporte e armazenamento de alimentos
• Metano: a pecuária, principalmente com ruminantes, representa uma grande parte das emissões totais de GEE
• Óxido Nitroso: de fertilizantes sintéticos e orgânicos

caminhos de dano

A ciência do aquecimento global é bastante desenvolvida, mesmo que haja grandes questões pendentes. O que é quase certo é que as emissões de GEE causam um aumento na temperatura média global, o que tem um efeito cascata no bem-estar humano e na saúde do ecossistema.

Há muita matemática e ciência por trás da seguinte conversão de kg de GEE em danos à saúde humana e aos ecossistemas. O caminho é qualificado acima, mas se alguém quiser vê-lo quantificado, encorajo aqueles corajosos o suficiente para inspecionar a matemática aqui .

Por fim, as vias de dano são combinadas para produzir um resultado final sobre o dano causado por kg CO2e.

A área da coluna de proteção acima descreve o endpoint. As unidades estão alinhadas com os dados que possuímos sobre a produção de alimentos, ou seja, Kg CO2e. Assim, podemos traduzir as emissões de GEE para DALY e anos de espécie.

Por exemplo:

Na produção de um kg de maçãs, vemos que são emitidos 0,43 kg de CO2e.

Multiplicando nossos números juntos:

(0,43 kgCO2e / kg maçãs) x (9,28x10^-7 DALY / kgCO2e) = 3,99x10^-7 DALY / kg maçãs.

Dito de outra forma; As emissões de GEE da produção de um quilo de maçã levam a 0,000000399 DALY.

Como o aquecimento global afeta tanto a saúde humana quanto os danos aos ecossistemas, repetimos o cálculo com diferentes fatores para avaliar os danos às espécies; somando fatores do ecossistema terrestre e aquático:

(0,43 kgCO2e / kg maçãs) x (2,80x10^-9 Espécie.ano / kg CO2e) +

(0,43 kgCO2e / kg maçãs) x (7,65x10^-14 Espécies.ano / kg CO2e) = 1,29x10^-9 Espécies Anos.

Dito de outra forma;

As emissões de GEE da produção de um quilo de maçã levam a

0,0000000012 espécies perdidas ao longo de um ano.

Ponto médio: Uso do solo (medido por m²)

Papel

Os humanos costumavam ser nômades, raramente se estabelecendo em qualquer lugar por longos períodos de tempo. Naquela época passada, seu impacto na terra era relativamente pequeno. O advento da agricultura permitiu que os humanos permanecessem parados, forçando a terra a servir a seus propósitos. Os humanos têm derrubado florestas para cultivar e sustentar o gado desde então. Faz sentido que uma grande proporção da terra do mundo seja utilizada para a agricultura. O uso e mau uso da terra foi e continua sendo um grande contribuinte para os danos ao ecossistema.

Caminhos de Dano

Quanto dano ao ecossistema é feito por uma unidade de uso de área de terra difere do que a terra estava fazendo antes. Por exemplo, se você nivelar uma floresta tropical para plantar árvores de óleo de palma, provavelmente causará mais danos ao ecossistema medido pela perda de espécies do que se você conseguisse plantar um pomar na tundra ártica.

O uso da terra difere de acordo com o tipo de cultura plantada, mas os números gerais são descritos aqui.

Observe que o uso da terra afeta apenas a saúde do ecossistema, não a saúde humana.

Revisitando nosso exemplo da maçã…

A maçã ocupa 0,63m² de terra para produzir um quilo de produto.
A multiplicação de nossos fatores resulta em 5,59x10^-9 anos de espécies.

Ponto médio: Emissões de eutrofização (medidas por kg de PO4e ou equivalente de fosfato)

Papel

Os fertilizantes permitiram o crescimento maciço da raça humana nos últimos séculos, aumentando o rendimento das colheitas a níveis inéditos nas gerações anteriores. O fertilizante funciona essencialmente adicionando nitrogênio extra ao solo de uma cultura. O nitrogênio é um componente chave da molécula de clorofila de uma planta e obter mais aumenta dramaticamente o crescimento da planta. Já foi dito que o elemento carbono dita a quantidade de vida em um bioma, enquanto o nitrogênio dita a qualidade.

caminhos de dano

Um dos efeitos colaterais de produzir tantos fertilizantes ricos em nitrogênio (além do fato de que sua produção é muito dependente de combustíveis fósseis) é que muitos deles são levados para ambientes aquáticos, levando a uma situação conhecida como eutrofização. A eutrofização ocorre quando um corpo de água fica excessivamente enriquecido com nutrientes, o que causa proliferação de algas e outros fenômenos que degradam a riqueza ecológica do ambiente aquático. A eutrofização é medida em fosfato ou equivalentes de fósforo, que mede o elemento fósforo em vez de nitrogênio. Para todos os efeitos, você pode substituir os dois elementos, pois ambos são usados ​​em fertilizantes porque estimulam o crescimento da clorofila, embora sejam prejudiciais aos ambientes aquáticos pelo mesmo motivo.

Em nosso exemplo de maçã, temos que ter cuidado, porque nossos dados têm os equivalentes de fosfato para um quilograma de maçãs (kg PO4e) enquanto nosso fator exige o equivalente de fósforo (kg Pe).

Os pesos atômicos dos átomos envolvidos devem ser utilizados para obter o peso apropriado:

Como o fósforo tem um peso atômico de 31, enquanto o oxigênio tem um peso atômico de 16, o fator de ponderação apropriado indo de PO4e → Pe é:

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

Em seguida, multiplique os fatores como fizemos anteriormente para chegar a 3,17x10^-10 anos-espécie por quilograma de maçãs.

Ponto médio: Retiradas de água doce (medidas em m³)

Papel

As plantas precisam de água para crescer. Assim como as vacas. Dependendo de onde você está e do que está cultivando, a necessidade de água não é uma preocupação, ou o maior fator de estresse em sua plantação e no meio ambiente. Um extremo seriam as amêndoas cultivadas na Califórnia, onde 80% das amêndoas do mundo são cultivadas , apesar do extremo estresse hídrico que o estado enfrenta. Mais de 10% do consumo total de água do estado é dedicado apenas a essa cultura. Outro extremo seria o cultivo da mandioca, que quase não requer água e chamou a atenção de Billy Gate como uma cultivar chave no combate à fome no mundo.

Caminhos de Dano

O uso de água doce é semelhante às emissões de GEE na medida em que afeta ambos os pontos finais da LCA.

As equações para calcular o dano final da retirada de água doce são fascinantes; levando em conta o clima da região, o Índice de Desenvolvimento Humano e muitos outros biomarcadores. Novamente, qualquer pessoa curiosa e corajosa deve considerar as formulações aqui .

Para completar nosso exemplo de maçãs, depois de adicionar todas as vias de dano juntas, um quilograma de maçãs causa um total de 7,99x10^-7 DALY e 7,12x10^-9 anos de espécie.

***Esses números provavelmente são menores do que os danos reais devido à exclusão de outras vias de impacto.***

Adicionando o elemento nutricional, classificando nossos alimentos e discussão

Depois de executar os cálculos de LCA para cada um dos nossos 38 alimentos, podemos ver o dano total de DALY e anos de espécie para o qual contribui um quilo de alimento. Em seguida, podemos normalizar esses pontos finais para o conteúdo nutricional do alimento em questão.

Estendendo nosso exemplo de maçãs, podemos observar a quantidade de nutrientes em certos alimentos por impacto DALY de sua produção:

O instantâneo mostra que você pode obter 7,51x10⁶ gramas de proteína de maçãs antes de contribuir com um DALY, enquanto você pode obter 6,97x10⁷ gramas de proteína da cevada antes de contribuir com um DALY.

E aqui os mesmos alimentos e nutrientes por ano Espécie.

Usando esses dados, podemos chegar às melhores e piores fontes de nutrientes de acordo com seu impacto ambiental total.

Em vez de combinar as duas pontuações para chegar à nossa tabela de classificação de nutrientes, comparei sua força relativa com seus pares, combinando seus percentis relativos de dano.

Aqui está a tabela de classificação resultante novamente para maior clareza.

Barley parece um vencedor claro em muitas categorias, incluindo os cobiçosos prêmios de proteína e calorias!

Discussão

Cevada?! Quem quer falar sobre isso? Vamos deixar isso de lado e falar sobre batata-doce…

Enquanto a batata-doce possui apenas 17g de proteína por quilo (o amendoim tem 258g, a carne bovina tem 197g, o arroz selvagem 122g), ela ocupa o segundo lugar no ranking de melhor fonte de proteína. Isso ocorre porque a batata-doce tem impacto ambiental quase zero . Dos 38 alimentos estudados, eles têm o menor impacto na saúde humana e na saúde do ecossistema por quilo de produção. Eles têm um impacto tão baixo que compará-los com a carne bovina produz resultados cômicos. A carne bovina é entre 200 e 700 vezes pior do que a batata-doce para o meio ambiente, dependendo se você está olhando para DALYs ou danos ao ecossistema. A equivalência é estonteante: um hambúrguer de 100g ou 70kg de batata-doce!

Se compararmos a proteína nas duas porções, o hambúrguer de 100g rende 39% do valor diário recomendado, enquanto a batata-doce de 70kg rende 2380%

Se todos no planeta tivessem um orçamento ambiental, ou seja, você só poderia causar tanto mal por ano com seus hábitos de consumo, acho que muitas pessoas trocariam o hambúrguer por 70 kg de batata-doce. Pense em todas as tortas e batatas fritas...

Seria errado não mencionar o espinafre. Se eu comparar os percentis médios de conteúdo de nutrientes por impacto ambiental, o espinafre supera até mesmo a poderosa batata-doce e a maçante cevada. Você pode ver na tabela de classificação que o espinafre tem toneladas de vitaminas e minerais.

Planos para estudos futuros

• Otimizando nutrientes: estabelecendo limites no 'custo ambiental' total e encontrando dietas ideais
• Pontuação alimentar: aprendendo metodologias nutricionais para pontuar alimentos
• Adicionar mais dados de impacto: quanto mais dados de rota de impacto, melhor
• Adicionar preço: mexer com preços pode ser interessante (crie uma mistura ponderada de preço de comida e preço para o ambiente)

Esta é a minha primeira vez, então seja gentil. Este não é um LCA oficial para alimentos, pois sou apenas um novato. As técnicas de LCA condenam explicitamente o uso de um conjunto limitado de caminhos de impacto, como fiz aqui. Eu simplesmente não pude evitar.

Nosso mundo em dados foi uma grande inspiração.

Software Pré-Sustentabilidade e SimaPro.

McCance e Widdowsons

Nemecek e Poore

Quão ruins são as bananas?