La riduzione delle emissioni di gas serra (GHG) è ritenuta essere uno dei maggiori presunti vantaggi della carne coltivata rispetto alla carne bovina.

In questo studio pubblicato su Frontiers in Sustainable Food Systems, due ricercatori dell’Università di Oxford, John Lynch e Raymond Pierrehumbert, hanno effettuato un confronto rigoroso dei potenziali effetti sul clima della produzione di carne coltivata e dell’allevamento di bovini. Gli effetti del riscaldamento vengono valutati utilizzando un semplice modello climatico che simula i diversi comportamenti di anidride carbonica (CO2), metano (CH4) e protossido di azoto (N2O), piuttosto che basarsi sulla CO2eq. E’ stato confrontato l’impatto sulla temperatura della produzione di bovini da carne e della carne coltivata fino a 1.000 anni nel futuro, utilizzando quattro impronte di GHG della carne sintetica attualmente disponibili in letteratura e tre diversi sistemi di produzione di carne bovina studiati in un precedente lavoro di modellazione climatica.

L’allevamento dei bovini è associato alla produzione di tutti e tre i suddetti gas serra, comprese emissioni significative di CH4, mentre le emissioni della carne coltivata sono quasi interamente rappresentate da CO2 proveniente dalla generazione di energia. Con un consumo globale elevato e continuo, secondo lo studio la carne coltivata inizialmente provocherebbe un riscaldamento inferiore rispetto all’allevamento di bestiame, ma nel lungo periodo questo divario si ridurrebbe e in alcuni casi l’allevamento provocherebbe un riscaldamento decisamente inferiore poiché le emissioni di CH4 non si accumulano, a differenza di quelle di CO2. E’ stato quindi modellato un calo del consumo di carne verso livelli più sostenibili successivi ad un consumo elevato mostrando che, sebbene i sistemi di allevamento dei bovini generalmente determinino un picco di riscaldamento maggiore rispetto alla carne coltivata, l’effetto di tale riscaldamento diminuisce e si stabilizza, mentre il riscaldamento basato sulla CO2 della carne coltivata persiste e si accumula anche con una diminuzione del consumo, superando nuovamente quello della produzione di bestiame in alcuni scenari.

I ricercatori hanno quindi concluso che la produzione di carne coltivata non è migliore per il clima rispetto all’allevamento di bestiame; il suo impatto relativo dipende invece dalla disponibilità di produzione di energia decarbonizzata e dagli specifici sistemi di produzione che vengono realizzati.

Di seguito, riportiamo la traduzione integrale del lavoro che può essere consultata nella sua interezza o scegliendo, attraverso l’indice qui sotto, i paragrafi di maggiore interesse (la bibliografia è disponibile nell’articolo originale).

INDICE

Introduzione

Quella della carne coltivata è una tecnologia emergente secondo la quale le cellule muscolari animali vengono prodotte mediante la coltura di tessuti in una fabbrica controllata o in un ambiente di laboratorio, in contrasto con i tradizionali sistemi di allevamento di animali “in toto” (Stephens et al., 2018). Altri termini comunemente utilizzati per definirla includono carne pulita, in vitro, coltivata in laboratorio o sintetica. La diminuzione degli effetti ambientali della produzione di carne, e in particolare delle emissioni di gas serra (GHG), viene generalmente evidenziata come un potenziale vantaggio significativo della carne coltivata (Tuomisto e Teixeira de Mattos, 2011; Post, 2012). Nonostante le recenti ricerche, l’interesse popolare per la carne coltivata e la frequenza con cui vengono segnalati i suoi presunti benefici sul clima, i potenziali impatti sulla temperatura della produzione di tale carne non sono stati ancora studiati. I sistemi di produzione zootecnica sono associati a una serie di emissioni di gas serra e hanno dato un contributo significativo al cambiamento climatico antropogenico (Reisinger e Clark, 2018). In linea generale, lo stesso bestiame causa emissioni di metano (CH4) e protossido di azoto (N2O) con il suo letame, e altro metano proviene dalla fermentazione enterica nei ruminanti. Ulteriori gas a effetto serra associati alla produzione animale, ma non direttamente emessi, includono la dispersione di protossido di azoto dall’applicazione di fertilizzanti impiegati per la coltivazione degli alimenti destinati agli animali, le emissioni di anidride carbonica (CO2) dalla conversione di terreni per il pascolo o per la produzione di mangimi e le emissioni di CO2 derivanti dalla produzione di energia basata sui carburanti fossili, ad esempio i carburanti utilizzati per i trattori o durante la produzione di fertilizzanti (oltre al sottoprodotto CO2 che si forma anche nella produzione di fertilizzanti, Dawson e Hilton, 2011). Sebbene esista una gamma molto ampia di emissioni associate a diversi sistemi di produzione animale, è generalmente dimostrato che tali sistemi emettono significativamente di più per unità di produzione alimentare (ad esempio emissioni per kg di prodotto finale o per kg di proteine) rispetto ai sistemi a base vegetale, e le carni bovine vengono tipicamente indicate come uno degli alimenti a più alta intensità di emissioni (Clune et al., 2017; Poore e Nemecek, 2018). I fautori della carne coltivata suggeriscono che bypassare i processi biologici generali dell’intero animale può comportare minori emissioni per unità di carne prodotta, poiché le emissioni animali dirette vengono evitate e i sistemi di coltivazione potrebbero essere progettati per convertire in modo più efficiente gli input nel prodotto desiderato (carne), minimizzando così le emissioni associate alla produzione di questi input. Potrebbe esistere un compromesso per la significativa domanda di energia che serve per mantenere l’ambiente di produzione controllato che essenzialmente va a sostituire alcune delle funzioni biologiche dell’animale (Mattick et al., 2015b); e rimangono grandi incertezze su come possano apparire i terreni di crescita sostenibili, privi di animali (Stephens et al., 2018) e quindi la loro potenziale domanda di risorse. Nonostante le rimanenti incognite nella produzione di carne coltivata su larga scala, un piccolo numero di studi ha effettuato valutazioni speculative del life cycle assessment (LCA) per prevedere l’impronta ambientale della carne coltivata (Tuomisto e Teixeira de Mattos, 2011; Tuomisto et al., 2014; Mattick et al., 2015b; Smetana et al., 2015). Le emissioni di gas serra suggerite per unità di carne coltivata prodotta (“impronta di carbonio”) variano in modo significativo, poiché si basano su diversi sistemi di produzione e input presunti e adottano metodi alternativi per anticipare gli sviluppi futuri. Tuttavia, le emissioni di gas serra per unità di carne coltivata sono uniformemente indicate come superiori a quelle della carne bovina con cui viene effettuato questo confronto (le tendenze sono meno chiare per altri prodotti animali).

Ad oggi, questi confronti (e la maggior parte degli altri che valutano l’intensità delle emissioni relative dei prodotti o attività diverse) si basano su misure dell’anidride carbonica equivalente (CO2e) che mettono in relazione le emissioni di diversi gas serra con l’anidride carbonica. Tuttavia, tali misure possono essere fuorvianti e fornire una scarsa indicazione dell’effettiva risposta alla temperatura (Pierrehumbert, 2014). I singoli gas differiscono sia per quanto modificano il bilancio energetico atmosferico (forcing radiativo), e quindi quanto portano al riscaldamento, sia per quanto tempo persistono nell’atmosfera. In termini di molecola, il metano determina un forzante radiativo significativamente maggiore rispetto all’anidride carbonica, ma ha una durata atmosferica di soli 12 anni circa (Myhre et al., 2013) in contrasto con la persistenza millenaria dell’anidride carbonica (Archer e Brovkin, 2008). Il protossido di azoto ha un forcing radiativo per molecola molto maggiore rispetto sia al metano che all’anidride carbonica e una durata atmosferica di poco più di 100 anni (Myhre et al., 2013). L’indice dell’anidride carbonica equivalente più comunemente usato, il potenziale di riscaldamento globale a 100 anni (GWP100), equipara ciascun gas integrando la quantità di forzante radiativo che un impulso di emissione una tantum eserciterebbe in un periodo di 100 anni (Myhre et al., 2013). Se dobbiamo considerare gli effetti sul clima della produzione in corso, tuttavia, dobbiamo considerare l’impatto dei tassi di emissione continua di ciascun gas.

I confronti basati sul GWP100, tra le altre limitazioni, non catturano sufficientemente il comportamento temporale dei diversi gas e, in particolare, non riescono a esprimere la natura cumulativa delle continue emissioni di anidride carbonica, e quindi possono sovrastimare relativamente l’impatto sul riscaldamento del metano (Pierrehumbert, 2014). Inoltre, a causa della breve durata del metano, qualsiasi riscaldamento che provoca viene in gran parte annullato poco dopo la rimozione delle emissioni, a differenza dell’anidride carbonica. Dedurre gli impatti della temperatura relativa dalle impronte GWP100 può quindi essere particolarmente problematico laddove i gas di breve durata come il metano costituiscono una percentuale significativa delle emissioni, come nel caso della produzione di carne bovina. Questo articolo vuole essere il primo tentativo di confronto dei potenziali impatti climatici della produzione di carne coltivata e di carne bovina utilizzando un approccio di modellazione atmosferica, piuttosto che basarsi su confronti in termini di anidride carbonica equivalente. Abbiamo testato una serie di impronte delle emissioni provenienti dai sistemi di produzione della carne coltivata e dai sistemi di allevamento dei bovini in tre modelli di consumo alternativi, confrontando gli impatti della temperatura in diversi scenari di produzione e consumo in tutte le scale temporali fino a 1.000 anni.

Metodi

Al fine di garantire la standardizzazione, i modelli atmosferici, i modelli di consumo e le emissioni rappresentative della produzione di bestiame seguono tutti Pierrehumbert e Eshel (2015). Nell’aprile 2018 è stata condotta una review della letteratura per esaminare le impronte delle emissioni della carne coltivata in laboratorio. Poiché rimane una notevole incertezza su come potrebbe essere la vera produzione di carne coltivata su larga scala, quattro diverse impronte provenienti dalla review della letteratura sono state utilizzate per illustrare alcune delle possibilità. Il primo studio di LCA della carne coltivata in laboratorio, presentato in Tuomisto e Teixeira de Mattos (2011), ipotizzava un sistema in cui le cellule staminali embrionali animali venivano coltivate in un bioreattore cilindrico a vasca di agitazione in un terreno di idrolizzato di cianobatteri (come principale input “mangime”), vitamine e fattori di crescita animale.

I fattori di crescita animale erano prodotti da Escherichia coli geneticamente modificato e sia i fattori di crescita che le vitamine erano considerati necessari in volumi trascurabili e quindi comportano impatti ambientali trascurabili (comprese le emissioni di gas serra). Si ipotizzava che la produzione di cianobatteri avvenisse in una vasca all’aperto, con un certo utilizzo di azoto sintetico considerato nel caso predefinito, ma negli scenari più ottimistici venivano utilizzati cianobatteri azotofissatori o “acque reflue ricche di nutrienti” per eliminare la necessità di input fertilizzanti. Le emissioni di gas a effetto serra derivavano principalmente dall’utilizzo e dal trasporto di energia per la crescita e lo spostamento dei cianobatteri nel sito di produzione della carne coltivata, seguiti dall’utilizzo di energia nella lavorazione dei cianobatteri e dall’agitazione del serbatoio di coltura cellulare per 60 giorni.

Il calore residuo che seguiva la sterilizzazione dell’idrolizzato di cianobatteri riscaldava inizialmente il terreno di coltura, e in seguito abbiamo ipotizzato che il calore generato dal metabolismo delle cellule che crescono nella coltura annullasse la necessità di un riscaldamento esterno. Le impronte dei gas serra sono state quindi stimate in base alle condizioni e alle emissioni per unità di consumo energetico per tre regioni rappresentative (Thailandia, California e Spagna), con le emissioni provenienti dalla produzione di elettricità più basse in Thailandia e più alte in California. L’output carne coltivata prevista come unità funzionale era un prodotto “tipo carne macinata” con contenuto proteico equivalente alla carne magra. Per ulteriori dettagli si veda Tuomisto e Teixeira de Mattos (2011). Seguendo le rese ipotizzate e le convenzioni di allocazione utilizzate in questo studio (vedi discussione sotto), l’impronta media delle emissioni era di circa 2,01 kg di CO2e per kg di carne coltivata. Poiché questo studio rappresenta lo scenario più ottimistico, abbiamo utilizzato il valore più basso presentato nell’analisi di sensibilità di 1,69 kg di CO2e per kg di carne coltivata, supponendo che non sia necessario l’utilizzo di fertilizzanti per la produzione di cianobatteri e che la produzione di elettricità utilizzi l’impronta di emissioni tailandese più bassa. Non è stato possibile separare i singoli gas serra, quindi abbiamo ipotizzato che l’intera impronta fosse costituita da emissioni di anidride carbonica. Poiché non vi era alcun impiego di fertilizzanti nell’impronta utilizzata, e in alternative impronte sottostanti altre emissioni rappresentavano percentuali relativamente piccole dell’impronta totale, è improbabile che questa ipotesi influisca in modo significativo sui risultati.

La seconda impronta della carne coltivata utilizzata in questo studio è stata ottenuta da Tuomisto et al. (2014). I sistemi ipotizzati erano in gran parte quelli descritti sopra da Tuomisto e Teixeira de Mattos (2011), ma con alcuni perfezionamenti apportati al presunto funzionamento del bioreattore e con una serie di materie prime alternative a base vegetale prese in considerazione oltre ai cianobatteri. Abbiamo ipotizzato che le materie prime di grano o mais fossero state coltivate secondo le impronte di gas serra della tipica produzione britannica di Williams et al. (2006) e sterilizzate e idrolizzate come descritto sopra per i cianobatteri. Un bioreattore capillare cavo è stato selezionato per rappresentare un’alternativa migliore al design del cilindro con agitatore descritto sopra, ma in questo caso erano previsti anche input di energia per mantenere la temperatura di crescita (37°C) delle cellule in coltura. Poiché questo studio presenta ancora un’impronta ottimistica ma potenzialmente più realistica di quanto suggerito da Tuomisto e Teixeira de Mattos (2011), dalla gamma di risultati presentati è stato selezionato un valore intermedio di 3,67 kg CO2e per kg di carne coltivata, ipotizzando come materia prima il mais (con una maggiore impronta di produzione rispetto ai cianobatteri ma inferiore al grano) e una media degli scenari migliori e peggiori dei casi di resa del bioreattore. Si presume inoltre che questa impronta sia composta interamente da emissioni di anidride carbonica. In pratica, le emissioni di protossido di azoto sarebbero dovute anche ad una parte degli input di azoto nella coltivazione del mais, ma non è stato possibile separare questa componente delle emissioni. Ancora una volta si ritiene improbabile che l’omissione influenzi significativamente le conclusioni, come discusso di seguito nel contesto dei risultati per altri sistemi di produzione di carne coltivata.

Le restanti due impronte della carne coltivate sono state entrambe prese da Mattick et al. (2015b). In questo studio viene ipotizzato un processo di coltura in due fasi: dopo 5 giorni di proliferazione delle cellule staminali muscolari, il bioreattore viene drenato e riempito con un terreno diverso per 72 ore di differenziazione cellulare e aumento di massa. Viene ipotizzato che i principali costituenti dei terreni di coltura siano peptidi e amminoacidi derivati dall’idrolisi della soia, glucosio proveniente dall’amido di mais e ancora una quantità trascurabile di fattori di crescita. In contrasto con l’approccio più speculativo dei due studi precedenti, questo studio basa le sue ipotesi circa i fabbisogni metabolici e le rese di carne coltivata sui dati della proliferazione cellulare dell’ovaio di criceto cinese (CHO) (Sung et al., 2004), come analogo testato per condizioni di coltura cellulare. Le sfere microcarrier di amido di mais forniscono un’impalcatura attorno alla quale le cellule proliferano e si presume che il processo avvenga all’interno di bioreattori a serbatoio di agitazione. L’energia è necessaria per l’aerazione, la miscelazione e la regolazione della temperatura durante la fase di coltura. Infine, i bioreattori vengono puliti tra un lotto di coltura e l’altro mediante risciacquo con idrossido di sodio e riscaldamento a 77,5°C. Vedere Mattik et al. (2015b) per ulteriori dettagli. Poiché stime più ottimistiche erano già state dimostrate nei due articoli precedenti, è stata utilizzata l’impronta media della carne coltivata piuttosto che il limite inferiore dell’analisi di sensibilità. Questa impronta di gas serra era di 6,64 kg di CO2, 0,019 CH4 e 0,0013 kg di N2O, per un GWP100 totale di 7,5 kg di CO2e per kg di carne coltivata (emissioni disaggregate da Carolyn Mattick, pers. comm.). Per rappresentare il limite superiore delle impronte di emissioni proposte per la produzione di carne coltivata, è stato utilizzato anche il risultato del limite superiore dell’analisi di sensibilità di Mattick et al. (2015b). Qui, si ottengono densità cellulari inferiori alla fine della fase di proliferazione, non si ottiene un’ulteriore crescita della biomassa nella fase di differenziazione e le dimensioni dell’edificio dell’impianto di bioproduzione e l’impronta energetica sono trattate come paragonabili a quelle di un impianto farmaceutico, piuttosto che a quelle di un birrificio come nello scenario predefinito. Ciò ha comportato un’impronta di 25 kg di CO2e per kg di carne coltivata. Non è stato possibile estrarre la composizione dei singoli gas dall’analisi di sensibilità, ma per questo studio abbiamo ipotizzato che i gas avessero le stesse percentuali del caso di riferimento, risultando in 22,1 kg di CO2, 0,062 kg di CH4 e 0,0043 kg di N2O per kg di carne coltivata.

Un’ulteriore impronta di emissioni per la carne coltivata è fornita anche da Smetana et al. (2015), ma poiché alcuni dettagli riguardanti l’unità funzionale, i confini del sistema e i metodi di produzione ipotizzati in questo studio non apparivano chiari e l’impronta di anidride carbonica equivalente presentata era simile al risultato del limite superiore dell’analisi di sensibilità in Mattick et al. (2015b), non è stata utilizzata in questo studio. Tre impronte rappresentative della carne bovina sono state utilizzate seguendo Pierrehumbert e Eshel (2015) per illustrare alcune delle variazioni nella quantità e nella composizione delle emissioni associate ai sistemi di produzione di carne bovina odierni (Tabella 1). L’impronta più bassa per tutti i gas è stata riportata da Cederberg e Nillson (2004) con la produzione in una fattoria svedese biologica. Si tratta di un sistema di tipo estensivo a basso input (niente pesticidi o fertilizzanti sintetici, ma letame biologico importato) che raggiunge tassi di natalità di circa un animale all’anno e un rapido aumento di peso, quindi con basse emissioni di metano per produzione. Una composizione alternativa dell’impronta viene mostrata nel sistema di pascolo brasiliano da Cederberg et al. (2009), anch’esso un sistema estensivo a basso input, ma con le emissioni di metano per unità di carne bovina prodotta significativamente maggiori a causa del più lento aumento di peso degli animali.

Le emissioni di CO2 derivanti dalla produzione sono probabilmente effettivamente inferiori rispetto a quelle del caso svedese (invece che uguali, come mostrato nella tabella) poiché questa impronta include le emissioni risultanti dal trasporto dal Brasile all’Europa; tuttavia, questi sono più che compensati dalle probabili emissioni derivanti dalla deforestazione, che non sono incluse qui ma riprese nella discussione. Infine, l’impronta della carne bovina più alta inclusa era rappresentata da un sistema di pascolo nel Midwest degli Stati Uniti, secondo Pelletier et al. (2010). Anche questo sistema ottiene un aumento di peso degli animali relativamente in poco tempo (e quindi le emissioni di metano sono equivalenti a quelle del sistema svedese) ma ciò si ottiene mediante una gestione intensiva di energia e di input che si traduce in elevate emissioni di anidride carbonica e protossido di azoto.

Per ulteriori dettagli vedere Pierrehumbert e Eshel (2015) e gli studi originali a cui si fa riferimento. Due ulteriori impronte che dimostravano le emissioni provenienti da un recinto per l’ingrasso del Midwest degli Stati Uniti e la media per la produzione di carne bovina svedese inclusa in Pierrehumbert e Eshel (2015) sono state omesse da questo studio per chiarezza, poiché fornivano profili di emissione intermedi simili a quelli sopra descritti. Poiché queste impronte della carne bovina non sono completamente armonizzate (ad esempio, le emissioni derivanti dal trasporto di carne bovina brasiliana verso l’Europa citate sopra), le emissioni descritte per ciascun sistema possono rappresentare delle differenze metodologiche tra gli studi, come i diversi confini del sistema, le differenti allocazioni di co-prodotti e di banche dati LCA, piuttosto che le differenze tra gli stessi sistemi di produzione di carne bovina. Confrontare i singoli studi di LCA può essere problematico, anche per lo stesso prodotto (de Vries et al., 2015), ed esistono sfide significative nella standardizzazione dei LCA in agricoltura (Adewale et al., 2018). Ai fini del presente studio, queste impronte forniscono casi di studio contrastanti con un diverso bilancio delle emissioni di gas serra per illustrare i diversi impatti climatici di ciascun gas, ma non dovrebbero necessariamente essere considerati come LCA standardizzati e rappresentativi a livello globale per la carne bovina. Le impronte delle emissioni per ogni sistema sono mostrate nella Tabella 1. Va notato che tutte le stime dell’anidride carbonica equivalente dell’impronta della carne coltivata, incluso il limite superiore dell’analisi di sensibilità, sono inferiori a quelle di ogni sistema di allevamento bovino in questo studio.

Modelli di consumo

Sono stati utilizzati tre modelli di consumo alternativi per illustrare le dinamiche risultanti dalle impronte di GHG, con gli effetti provenienti da tutti i sistemi mostrati in un lasso di tempo di 1.000 anni. Il primo scenario si basava su livelli costanti e molto elevati di consumo di carne: 25 kg pro capite all’anno (all’incirca il tasso di consumo odierno di carne bovina negli Stati Uniti) per una popolazione di 10 miliardi. Questo modello ha lo scopo di esplorare gli impatti sulla temperatura di un consumo sfrenato e di illustrare i distinti impatti climatici dei diversi gas serra in condizioni di emissioni sostenute. Da notare che per questo e per tutti gli altri scenari, modelliamo solamente totali globali aggregati e ipotizziamo che il consumo descritto porti direttamente alla produzione associata (e quindi alle emissioni). Non affrontiamo questioni relative, ad esempio, allo spreco alimentare, all’accesso e alla distribuzione, nonostante la loro effettiva importanza nella progettazione di un sistema alimentare sostenibile (Garnett, 2013), poiché il nostro obiettivo è quello di dimostrare i fondamenti climatici rilevanti. Il secondo scenario ipotizza gli stessi tassi di consumo molto elevati per i primi 100 anni, seguiti da un calo esponenziale, ovvero il consumo è una funzione del tempo C (t) in modo tale tale che:

dove Cm è il massimo tasso di consumo (e in questo scenario anche l’inizio), che decresce dopo un tempo tm (=100 anni) con una costante di tempo, τ= 50 anni. Questo scenario illustra la differenza tra gli effetti di riscaldamento a lungo termine di ciascun gas quando le loro emissioni diminuiscono verso lo 0. Il terzo scenario presenta una dimostrazione più realistica e tenta di illustrare uno spazio potenzialmente sostenibile per il consumo di carne. Il consumo di carne inizia ad un tasso approssimativamente uguale a quello dell’attuale consumo globale (5,55 kg pro capite all’anno per una popolazione di 7,3 miliardi, seguendo Pierrehumbert e Eshel, 2015), quindi aumenta esponenzialmente fino a raggiungere un tasso di consumo massimo di 25 kg pro capite all’anno per una popolazione di 10 miliardi dopo 100 anni. Dopo questo picco, il consumo diminuisce in modo esponenziale fino a un tasso di consumo annuo a lungo termine (C∞) equivalente al 75% dell’attuale consumo globale. Il consumo di carne bovina è quindi definito come:

dove Cm è ancora il tasso del consumo massimo, che si verifica in questo caso al tempo tm (sempre 100 anni qui), raggiunto ad un tasso regolato da δ, dove

in modo tale che il tasso di consumo iniziale C0 sia come descritto sopra.

Approccio alla modellazione climatica

Le risposte della temperatura sono state derivate utilizzando un approccio di modellazione climatica del bilancio energetico seguendo Pierrehumbert e Eshel (2015). Le emissioni annue di ciascun gas, determinate dalla tipologia di impianto e dai modelli di consumo sopra descritti, sono state utilizzate per determinare la variazione del forzante radiativo e il conseguente riscaldamento nel tempo. Il forzante dell’anidride carbonica è stato calcolato utilizzando una funzione che modella il cambiamento nella concentrazione atmosferica di CO2, incorporando l’assorbimento da parte degli oceani e una relazione logaritmica tra i cambiamenti nella concentrazione di CO2 e il forzante risultante (seguendo Pierrehumbert, 2014). Per CH4 e N2O, le concentrazioni atmosferiche sono state calcolate supponendo che i gas persistano nell’atmosfera rispettivamente per 12 e 114 anni, con il forzante derivato da queste concentrazioni utilizzando coefficienti di efficienza radiativa linearizzati da Forster et al. (2007). Per il CH4 questo forzante è stato aumentato per un fattore di 1,45 per incorporare l’amplificazione del vapore acqueo stratosferico e i feedback positivi dell’ozono.

Il modello climatico del bilancio energetico transitorio presentato in Pierrehumbert (2014) è stato utilizzato per calcolare il riscaldamento derivante da questi cambiamenti nel forzante. Viene utilizzato un sistema oceanico a due scatole in cui un livello oceanico poco profondo e misto si riscalda rapidamente (entro anni) in risposta ai cambiamenti nel forzante, mentre l’oceano profondo si riscalda (attraverso questo strato eterogeneo) su una scala temporale molto più lunga. Questo sistema oceanico a due scatole ha l’importante effetto di aggiungere una risposta ritardata al riscaldamento, che può anche provocare un riscaldamento continuo quando il forzante è stabile o in calo (Held et al., 2010). Si è ipotizzata una sensibilità climatica all’equilibrio di 3K per raddoppio della concentrazione atmosferica di CO2 e una sensibilità climatica transitoria a breve termine pari a 2/3 della sensibilità all’equilibrio. Tutti i risultati del modello climatico sono forniti in una tabella supplementare oltre ad essere illustrati nella sezione dei risultati di seguito.

Risultati

Il primo modello di consumo, rappresentato da un consumo continuo a tassi molto elevati (Figura 1) mostra l’entità del riscaldamento che risulterebbe dalla produzione di carne su larga scala dagli attuali allevamenti di bovini da carne o dai sistemi di produzione della carne coltivata in laboratorio ipotizzati. Questo scenario mostra anche i distinti impatti climatici di ciascun gas. Come illustrato per il riscaldamento derivante da ciascun gas nel sistema al pascolo brasiliano (Figura 1A), c’è un riscaldamento immediato e significativo da CH4, ma con tassi di emissione sostenuti questo smette in gran parte di aumentare dopo alcuni decenni (a questo punto la concentrazione atmosferica di CH4 ha raggiunto un equilibrio, e quindi il forzante che provoca rimane lo stesso, ma c’è ancora un leggero aumento a lungo termine del riscaldamento dovuto al significativo ritardo nella risposta della temperatura dell’oceano profondo). Questa dinamica di equilibrio si osserva anche per l’N2O, ma su una scala di pochi secoli anziché di pochi decenni. Di contro, visto che una parte significativa delle emissioni di CO2 persiste indefinitamente nel tempo, per questo gas non viene raggiunto alcun forzante di equilibrio e quindi il riscaldamento continua ad aumentare finché le emissioni sono elevate. Queste dinamiche sono illustrate in modo molto evidente mettendo a confronto la produzione di bovini con un sistema di produzione di carne coltivata (Figura 1B).

Le emissioni provenienti dalla carne coltivata in laboratorio di CH4 e N2O sono relativamente piccole e quindi non contribuiscono in modo significativo alla dinamica generale del riscaldamento; assistiamo invece a un aumento perpetuo a lungo termine del riscaldamento guidato in gran parte dal tasso di emissioni di CO2 continue. I confronti di sistemi più ampi forniscono ulteriori dimostrazioni di queste dinamiche. Tra i sistemi di produzione dei bovini da carne (Figura 1C), il sistema di pascolo del Mid-West degli Stati Uniti mostra un grado di riscaldamento a lungo termine molto maggiore rispetto al sistema brasiliano, nonostante un’impronta di anidride carbonica equivalente solo marginalmente superiore, a causa della maggiore percentuale di CO2. Il sistema della fattoria svedese si confronta in maniera eccellente con entrambi, poiché la componente di CO2 è bassa e quindi vediamo un aumento limitato del riscaldamento a lungo termine e, a causa della maggiore efficienza produttiva rispetto al sistema brasiliano, anche le emissioni di CH4 (e N2O) sono inferiori, e quindi il forzante che risulta una volta che le concentrazioni atmosferiche raggiungono l’equilibrio è minore. Tra i sistemi di produzione di carne coltivata (Figura 1D), il riscaldamento è guidato in gran parte (o interamente per “coltivato-a” e “-b”) dalle emissioni di CO2, e quindi c’è un riscaldamento perennemente in crescita, la cui discesa dipende dal tasso di emissioni annuali di CO2.

Nonostante le preoccupazioni per la potenziale omissione di alcune emissioni di CH4 e N2O nelle impronte della carne coltivata-a e -b come indicato sopra, l’impatto marginale di questi gas per la coltivazione-c, quando questi dati erano disponibili, suggerisce che le tendenze generali siano simili. Riunendo tutte le tipologie di sistema (Figura 1E) vediamo che le due impronte della carne coltivata più ottimistiche, coltivata-a e coltivata-b, sono così piccole che questi sistemi hanno effettivamente un impatto climatico minore rispetto ai sistemi di produzioni di carne bovina. Questi due sistemi di produzione di carne coltivata in laboratorio rimangono superiori anche al miglior sistema di produzione di carne bovina nel lunghissimo periodo (1.000 anni), sebbene il loro vantaggio relativo diminuisca nel tempo e alla fine del periodo modellato sia significativamente inferiore rispetto a quanto potrebbe essere suggerito confrontando l’impronta dell’anidride carbonica equivalente (impronta carne coltivata-a = 1,69 kg CO2e kg−1 carne, fattoria svedese = 28,6; ma per t = 1.000 gli effetti della temperatura sono rispettivamente di +0,18 e +0,62 K). L’esempio più eclatante di queste dinamiche è fornito da coltivazione-d, lo scenario di produzione nel limite più alto dell’analisi di sensibilità in Mattick et al. (2015b). Nonostante abbia un’impronta di anidride carbonica equivalente inferiore a quella di tutti i sistemi di allevamento di bovini qui descritti, in 200 anni di produzione continua il sistema svedese sarà il migliore ed entro 450 anni verrà superato anche dal peggior sistema di allevamento bovino qui riportato (nonostante abbia solo il 57% della sua impronta di anidride carbonica equivalente). Questo sistema viene quindi sempre superato da tutti i sistemi di allevamento di bestiame quanto più a lungo viene mantenuta la produzione.

Un aspetto alternativo delle diverse dinamiche temporali di ciascun gas è rivelato dagli scenari in cui la produzione diminuisce verso lo zero dopo 100 anni, come mostrato in Figura 2. Una volta cessate le emissioni di CH4 e N2O, il riscaldamento provocato da queste emissioni si inverte ampiamente su scale temporali dipendenti dalla durata atmosferica di ciascun gas (Figura 2A). Al contrario, il riscaldamento dovuto alla CO2 non è reversibile entro i tempi modellati qui, e quindi tale riscaldamento persiste (mostrato più chiaramente nella Figura 2B). Di conseguenza, mentre il riscaldamento causato dai sistemi di allevamento dei bovini (Figura 2C) diminuisce, il riscaldamento proveniente dalla produzione di carne coltivata persiste indefinitamente ad un livello fisso basato sulle emissioni cumulative di CO2 accumulate fino al momento in cui la produzione cessa (Figura 2D). Lo scenario potenzialmente più realistico di un aumento del consumo seguito da un declino a livelli più sostenibili è mostrato nella Figura 3. Per i sistemi di allevamento dei bovini da carne brasiliani (Figura 3A), il riscaldamento derivante da CH4 e N2O cresce rapidamente in linea con l’aumento della produzione, ma poi si stabilizza ad un nuovo livello inferiore in risposta ai nuovi tassi di emissione. Per la CO2, invece (nuovamente mostrato più chiaramente nell’esempio della carne coltivata, Figura 3B), la diminuzione del tasso di emissione rallenta il tasso di ulteriore riscaldamento, ma questo si aggiunge al riscaldamento causato dalle emissioni storiche, che persiste. Le conseguenze complessive di queste dinamiche dipendono dai nostri obiettivi climatici. I sistemi di produzione bovina mostrano un maggiore picco di riscaldamento in questo lasso di tempo (ad eccezione del confronto tra il sistema svedese e il sistema di carne coltivata con l’impronta più alta), ma a causa della persistenza delle emissioni di CO2 su larga scala nei primi periodi di produzione della carne coltivata, eventuali benefici a lungo termine di questa produzione si ridurranno ulteriormente.

Discussione

Come originariamente affermato in Pierrehumbert e Eshel (2015), gli effetti sulla temperatura di livelli molto elevati di consumo di carne bovina, in uno qualsiasi dei sistemi qui esplorati, sono significativi e probabilmente incompatibili con i nostri obiettivi climatici.

Nonostante le coraggiose affermazioni e le più alte impronte di carbonio, la carne coltivata non appare necessariamente come un’alternativa più sostenibile. Nelle impronte della produzione di carne coltivata più ottimistiche, le emissioni sono competitive con i sistemi di produzione di carne bovina per quanto riguarda la CO2 se evitiamo gli altri gas: questo è senza dubbio superiore dal punto di vista climatico.

Tuttavia, il vantaggio a lungo termine rispetto all’allevamento di bestiame non è così radicale come potrebbero suggerire semplici confronti di GWP100. Per la più tradizionale impronta della produzione di carne coltivata utilizzata qui, che continuava ancora ad avere un’impronta di anidride carbonica equivalente inferiore rispetto a quella di qualsiasi sistema di allevamento bovino nello studio, l’impatto sulla temperatura a lungo termine è drammaticamente peggiore di quello di qualsiasi sistema di produzione di carne bovina. Inoltre, dato che le emissioni della carne coltivata in laboratorio sono composte prevalentemente da CO2, la loro eredità di riscaldamento persiste anche se la produzione diminuisce o cessa (in assenza di una rimozione attiva di questa CO2 dall’atmosfera).

Sostituire i sistemi di allevamento del bestiame con la produzione di carne coltivata prima che la produzione di energia sia sufficientemente decarbonizzata e/o che le impronte di produzione più ottimistiche qui presentate siano realizzate (ammesso che sia possibile), potrebbe farci rischiare un impatto climatico negativo a lungo termine. In questo studio, la carne bovina è stata selezionata come carne ottenuta da bestiame da confrontare con i sistemi di produzione della carne coltivata a causa della sua impronta di anidride carbonica particolarmente elevata. È sorprendente come queste impronte coincidano male con l’impatto della temperatura a lungo termine, indicando l’influenza significativa della diversa durata della vita atmosferica di ciascun gas non adeguatamente catturata dal parametro GWP100.

Il lasso di tempo di 100 anni dimostra la crescente divergenza tra le impronte GWP100 e l’effetto del riscaldamento, ma la relativa esagerazione degli effetti delle emissioni sostenibili di metano è ben evidente prima di questo (qualsiasi periodo oltre i 100 anni). Inoltre, i GWP100 CO2e non riescono a evidenziare alcune delle differenze significative a breve termine tra metano e CO2, né riflettono gli effetti immediati (entro ∼20 anni) su larga scala dell’aumento iniziale delle emissioni di metano né catturano l’inversione del riscaldamento derivante dalla diminuzione (o dall’arresto) (che è anche il caso del protossido di azoto nel lungo periodo). Poiché le continue emissioni di gas a vita breve come il metano si comportano in modo così diverso rispetto alla CO2, anche in lassi di tempo imminenti importanti per le politiche, dobbiamo prendere in considerazione valutazioni alternative per quelle attività dove le emissioni sono in gran parte rappresentate da metano: in questo caso la produzione di bestiame, ma anche in altri casi le fonti biogeniche (vedi la produzione di riso) o le fonti di combustibili fossili (vedi le perdite di gas naturale) dovrebbero tenere in considerazione delle dinamiche simili.

Non è sufficiente fare affermazioni climatiche generali basate solo sul GWP100 CO2e. Per indagare questi problemi, le emissioni associate a un’attività devono essere fornite in forma disaggregata che consenta la valutazione di ciascun gas; tuttavia, questi dati al momento non sono disponibili, per questo invitiamo i ricercatori a fornirli in futuro (Lynch, 2019).

Dato che le emissioni della carne coltivata derivano principalmente dal consumo di energia, è stato visto che in futuro potrebbero essere ridotte in modo significativo se la produzione di energia venisse disaccoppiata dalle emissioni (Tuomisto e Teixeira de Mattos, 2011) e, dato il lungo lasso di tempo qui utilizzato, la decarbonizzazione energetica su larga scala sarà essenziale entro questo periodo per prevenire impatti climatici molto significativi indipendentemente dalle eventuali emissioni associate alla produzione alimentare. Nello scenario meno ottimistico della carne coltivata qui riportato, tuttavia, l’entità dell’energia richiesta è tale che una generazione sufficiente di energia decarbonizzata sembrerebbe improbabile nel breve e medio termine.

Ipotizzando un’impronta energetica di circa 360 MJ per kg di carne coltivata in laboratorio (fascia alta dell’analisi di sensibilità in Mattick et al., 2015b), la produzione di 25 kg pro capite all’anno per una popolazione globale di 10 miliardi richiederebbe circa 90 EJ energia all’anno, il 22,9% del consumo energetico globale totale di 393 EJ nel 2015 (International Energy Agency, 2017); quindi un consumo sregolato si tradurrebbe in una percentuale significativa dell’approvvigionamento energetico globale destinato alla produzione di carne coltivata in laboratorio in assenza di sistemi di produzione a basso consumo energetico.

La generazione di energia decarbonizzata eliminerebbe anche una parte delle emissioni di CO2 dai sistemi di allevamento del bestiame; quindi, per questa analisi abbiamo utilizzato le impronte presentate secondo le ipotesi delle emissioni di energia contemporanee. Inoltre, la tempistica di una decarbonizzazione su larga scala della produzione di energia avrebbe un impatto significativo su obiettivi climatici più ampi, inclusa la determinazione dell’entità delle emissioni di metano in corso compatibili con un determinato limite di temperatura. Poiché la carne coltivata è una tecnologia emergente, miglioramenti più evidenti in termini di efficienza della produzione potrebbero ridurre la sua impronta delle emissioni in futuro, oltre alla decarbonizzazione della generazione di energia. Questo però potrebbe valere anche per i sistemi di allevamento dei bovini, applicando nuove mitigazioni o tecnologie o passando a sistemi più efficienti (Rivera-Ferre et al., 2016). In effetti, potremmo affermare che il confronto tra la produzione di bestiame esistente e gli ipotetici sistemi di produzione della carne coltivata presenti un parallelismo distorto.

La natura speculativa di tutte e quattro le impronte della carne coltivata testate qui è figlia della necessità, poiché ad oggi non esistono LCA della produzione effettiva di carne coltivata in laboratorio (almeno di dominio pubblico), nonostante il produttore affermi l’imminenza di un lancio commerciale (Stephens et al., 2018). Date le incognite appartenenti a questa nuova forma di produzione, dobbiamo essere consapevoli che le valutazioni degli effetti possono cambiare e dobbiamo continuare ad adottare un approccio sistematico (Mattick et al., 2015a). C’è bisogno di una trasparenza molto maggiore da parte dei produttori di carne coltivata, con dati pertinenti disponibili per interrogarsi su eventuali affermazioni ambientali. Oltre all’ampia natura di ciascuna impronta, alcuni elementi specifici del LCA della carne coltivata rimangono poco chiari a causa della loro natura speculativa.

Negli approcci predefiniti di Tuomisto e Teixeira deMattos (2011), ad esempio, una percentuale delle emissioni sostenute durante la produzione di cianobatteri non è attribuita alla carne coltivata ma, presumibilmente agli integratori alimentari. Il potenziale di eventuali prodotti secondari della produzione di carne coltivata dipenderà dai sistemi che potrebbero essere realizzati. Dovrebbero essere trattati in modo simile a qualsiasi prodotto secondario della produzione di bestiame, come la pelle, ma il loro trattamento nel LCA può essere complesso e al momento non è ben standardizzato (Mackenzie et al., 2017). Anche la natura dell’unità funzionale – l’unità di produzione (output) alla quale vengono attribuite le emissioni – rimane speculativa nel caso della carne coltivata. Se le proteine anziché la “carne” fossero prese come output funzionale, le impronte mostrerebbero differenze ancora maggiori tra gli studi, con Mattick et al. (2015b) che ipotizzano il 7% di proteine in peso, rispetto al 19% di Tuomisto e Teixeira de Mattos (2011) e Tuomisto et al. (2014).

Il confronto degli impatti sulla base delle proteine (o da un più ampio punto di vista nutrizionale) sarà importante man mano che saranno disponibili impronte di produzione più dettagliate e/o reali. Anche con un’unità funzionale della carne generica, come utilizzata in questo studio, potrebbero essere ancora presenti ulteriori differenze non colte in questo studio. In Mattick et al. (2015b) l’unità funzionale è 1 kg di biomassa cellulare: qualsiasi ulteriore lavorazione o ingrediente aggiuntivo necessario per convertire questa biomassa in una forma commestibile o in un analogo di un prodotto a base di carne convenzionale dovrebbe essere incluso anche per una valutazione dell’intero ciclo di vita che confronti i prodotti a base di carne finali. Tuomisto e Teixeira de Mattos (2011) hanno ipotizzato che l’output del loro sistema di produzione di carne coltivata sia rappresentato da una “carne macinata”, ma può ancora differire dalla carne bovina per caratteristiche nutrizionali o sensoriali, con un’ulteriore lavorazione (e quindi passaggi da considerare in una valutazione del ciclo della vita) potenzialmente necessaria se si cerca di ottenere un analogo completo della carne bovina. L’impatto di qualsiasi processo nella produzione dei diversi prodotti a base di carne, come le bistecche, potrebbe essere ancora maggiore e nel prossimo futuro non è prevista una tipologia di ingegneria tissutale più complessa (Stephens et al., 2018). Anche la lavorazione dei prodotti di origine animale può essere associata a emissioni considerevoli (Poore e Nemecek, 2018), e quindi i confini del sistema devono includerla in modo coerente nel lavoro futuro che mette a confronto gli impatti ambientali dei prodotti finali pronti per il consumo.

Il risparmio dell’utilizzo del suolo è stato presentato come un altro vantaggio significativo della produzione di carne coltivata (Tuomisto e Teixeira de Mattos, 2011), e ciò potrebbe apportare un ulteriore beneficio climatico essendo il terreno utilizzato per il sequestro del carbonio. Tuttavia, questo potrebbe essere un fattore in grado di migliorare anche la produzione di bestiame, ipotizzando un utilizzo semplicemente più efficiente delle attuali praterie (Godde et al., 2018). I flussi di carbonio associati all’utilizzo del suolo sono spesso scarsamente standardizzati negli approcci di footprinting in agricoltura (Adewale et al., 2018) e qui sono stati esclusi. Questi flussi di carbonio possono avere impatti significativi. Ad esempio, una significativa deforestazione è il risultato dell’espansione dei pascoli, e l’inclusione delle emissioni di CO2 risultanti da ciò aumenterebbe notevolmente l’impronta tipica della carne bovina brasiliana (Cederberg et al., 2011). Allo stesso tempo, il suolo dei pascoli contiene quantità significative di carbonio organico e potrebbe potenzialmente sequestrarne quantità ancora maggiori se gestito in modo corretto (Conant et al., 2017).

In futuro saranno necessari ulteriori approfondimenti e standardizzazioni delle emissioni e dei sequestri derivanti dall’utilizzo del suolo, compresa una valutazione dei probabili utilizzi alternativi del suolo in seguito al risparmio dell’odierno terreno agricolo. Sebbene questo studio riguardi gli effetti climatici della produzione di carne, deve essere considerato anche in un contesto più ampio. Numerosi altri impatti ambientali sono associati alla produzione di carne bovina, come l’inquinamento e l’acidificazione delle acque (Poore e Nemecek, 2018), e la carne coltivata può fornire benefici anche in questi campi; ma ancora una volta, dovremmo prestare attenzione fino a quando non saranno disponibili LCA affidabili per i sistemi di produzione effettivi. Di contro, dobbiamo anche tenere in considerazione i benefici più ampi che potrebbero essere forniti dai sistemi di produzione della carne, compresi i prodotti secondari ad essa associati, la fornitura di servizi ecosistemici, il loro ruolo socioeconomico all’interno delle comunità rurali e il loro valore paesaggistico o culturale (Rodríguez-Ortega et al., 2014). È stato affermato che la produzione di carne coltivata è una tecnologia potenzialmente trasformativa, e quindi devono essere fatte anche valutazioni sociali per anticipare il cambiamento (positivo o negativo) che potrebbe essere causato (Mattick et al., 2015c), unitamente agli impatti ambientali come la modificazione del clima. Come concetto, è stato suggerito che la carne coltivata è in grado di risolvere alcuni dei problemi etici appartenenti alla produzione animale (Schaefer e Savulescu, 2014), ma è stata anche criticata come un approccio problematicamente tecnocentrico e motivato dal profitto (Metcalf, 2013). Hocquette (2016) mette in discussione la grande necessità di carne coltivata, suggerendo che esistono già soluzioni alternative che potremmo impiegare per superare i problemi che abbiamo con il nostro sistema alimentare. Infine, qualsiasi vantaggio climatico o più ampio che potrebbe essere ottenibile sostituendo i classici sistemi di allevamento con la carne coltivata dipende da come le persone percepiscono e alla fine consumano i prodotti a base di carne coltivata (vale a dire, come sostituzione diretta o in aggiunta ai prodotti convenzionali ottenuti dal bestiame). Le prime ricerche suggeriscono una riluttanza dei consumatori nel sostituire la carne convenzionale con la carne coltivata in laboratorio, con la disponibilità del pubblico a mangiare carne coltivata che dipende da una serie di interessi personali e di benefici previsti (Bryant e Barnett, 2018).

Conclusioni

L’entità della produzione di bestiame richiesta per i livelli molto elevati di consumo di carne bovina modellati qui comporterebbe un significativo riscaldamento globale, ma non è ancora chiaro se la produzione di carne coltivata in laboratorio possa fornire un’alternativa più sostenibile da un punto di vista climatico. Gli effetti sul clima della produzione di carne coltivata dipenderanno dal livello di produzione di energia decarbonizzata che può essere raggiunto e dalle specifiche impronte ambientali della produzione. C’è bisogno di un LCA dettagliato e trasparente dei reali sistemi di produzione di carne coltivata. Sulla base dei dati attualmente disponibili, la produzione di carne coltivata non autorizza necessariamente un consumo senza limiti di carne.