植物育种新技术环境和社会经济的影响:一个案例研究的根菊苣菊粉生产

介绍

的两个基石,欧洲绿色交易,Farm2Fork (COM 2020)和生物多样性战略(COM 2020 b),提供一个公平的目标,可持续、健康、环保的食物系统在欧洲。在未来,食品系统和食品供应将面临各种各样的挑战,诸如气候变化诱导增加不利天气条件对植物健康以及威胁,环境污染、不断上涨的土地消耗以及森林砍伐和资源依赖国外(联合国政府间气候变化专门委员会,2022)。植物育种是一个战略要实现可持续的长期目标,活力和弹性的欧洲食品系统。在过去,在植物育种创新导致平均每公顷产量的增加,因此带来了积极的经济,社会和环境的影响(Noleppa Cartsburg 2021;史密斯et al ., 2021,琼斯等人。,2017年)。然而,很明显,常规育种方法限制作物的数量改善由于其有限的遗传多样性。新的植物育种技术(NPBTs),迅速出现在最近几年,由于他们通过引入加速作物改良的遗传变异有针对性的方式(Ricroch 2019;Ricroch et al ., 2022)。这些NPBTs驱动新作物的发展特征,并允许对生物强化,收益率提高,和增强的害虫和疾病的抵抗,适应气候变化,并导致新的工业和制药应用程序(Ricroch 2019)。

H2020别致的项目(H2020 nmbp -研究- 07 - 2017,GA 760891号),NPBTs菊苣根中实现,为了建立它作为多用途的作物和可持续的方法生产膳食纤维,菊粉,增强生命起源以前的效应,促进肠道健康。利用生成的新变体在别致的项目(马托斯et al ., 2020;Baixinho et al ., 2021;Cankar et al ., 2021;Hakkinnen et al ., 2021;马托斯et al ., 2021),他们的生物活性特点,本文的社会经济和环境影响评估新菊苣变体使用案例研究网站感觉BV的生产工厂,位于荷兰。更确切地说,社会经济评估量化生产,输出的商品和服务,增值和工作的数量,而环境评估计算产生的温室气体(GHG)排放,累积初级能源需求。在这一过程中,本研究扩展了文学两方面的:首先,我们丰富膳食纤维通过评估的讨论影响社会经济和环境影响。第二,我们展示了新的植物育种技术的应用影响这些影响。

根菊苣(Cichorium intybusvar。一种肉质直根)是一种草本植物,能长到75厘米长(Baert和Van Bocksdaele 1992;街et al ., 2013;哈基宁et al ., 2021)。它主要是生长在欧洲的西北和膳食纤维的主要来源是菊粉(女et al ., 2013)。主根包含菊粉含量平均17%,鲜重和一个典型的根产量为每公顷45吨(威尔逊et al ., 2004)。目前全球菊苣根量约14500公顷的面积(FAOStat 2017)。菊苣根通常还包含大量的倍半萜烯内酯(抢断)(Cankar et al ., 2021)。他们中的一些人显示抗炎等药用价值,抗癌、镇痛活性,因此这些成分在医学应用研究(查德威克et al ., 2013)。因此,由于其生物合成能力,高产量和低农艺要求,菊苣高潜力成为分子农业的多功能生产主机通过提供许多额外的与健康有关的产品(梅耶尔和Mathijssen 1992)。这些包括免疫调节益生元(Roberfroid 2008)和药物预防生活方式疾病(如、肥胖(Antal et al ., 2008),促进肠道健康,刺激免疫系统(Bodera 2008)或替代抗生素(Sinkovic et al ., 2017;Pena-Espinoza et al ., 2018)。为了达到这个目标,新的菊苣变异需要开发。然而,菊苣育种是目前非常耗时(Baert和Van Bocksdaele 1992;红色'ko et al ., 2008;Shoorideh et al ., 2014)。因为它是一个强制性的异型杂交物种,没有真正的品种可以获得和种质保存在体外传播。因此,菊苣是高度相关的情况下,新的植物育种技术(NPBTs)可以使一个关键的区别。

菊粉是一种天然的、可值、水溶性膳食纤维(见欧共体1169/2011,Alinorm 09/3/12, 2009年3月)中发现的各种水果,蔬菜和草药。肠道细菌将菊粉的短链脂肪酸促进局部和全身健康(艾哈迈德·拉希德,2019;Roberfroid 2008;刘et al ., 2022)。目前主要应用作为补充食物纤维,低热量甜味剂在各种食品(如奶制品,糖果,婴儿食品),但已获得越来越重要在化妆品和制药应用程序(概述Cankar et al ., 2021)。菊粉会影响生理和生化过程,导致积极的健康影响和减少许多疾病的风险(街et al ., 2013)。菊粉市场规模超过200公斤吨,全球市场容量约10亿美元(2021年国际市场研究,2022年)。菊粉是比利时的三个最大的出口商,智利和荷兰总占出口总额的99%左右(数据库的一部分,2020年)。

我们所知,社会经济和环境影响的分析研究营养纤维,即使基于常规育种技术,稀缺。尽管这场辩论膳食纤维对人体健康的影响,如菊粉的重要性大大增加近年来(见达尔和斯图尔特2015;赵et al ., 2018;他et al ., 2022年),由此产生的社会经济和环境的影响还有待研究。最主要的原因是缺乏数据可用性和数据质量不足(Gomesz-Barbero et al ., 2008;斯梅尔et al ., 2009)。为了评估膳食纤维的社会经济和环境影响,整个价值链,包括每一个生产阶段,从摇篮,即培养门,即。、工业加工、分析。

不过,社会经济和环境影响评价的生物创新经常应用领域的生物能源,生物材料,生化药品和食品行业。生物创新的应用是多方面的,包括生质能源(面包车大坝et al ., 2010;德拉鲁阿和炭火烤乳猪2016;他et al ., 2016年;佩兰et al ., 2017;Weik et al ., 2019;Lozano产生et al ., 2020;奥氏小体和劳赫2021)、生物燃料(德·卡瓦略et al ., 2016;霁和长2016;炭火烤乳猪et al ., 2019;Jeswani et al ., 2020;王et al ., 2020)和生质材料和化学物质(瓦伦特et al ., 2018;Ruiz Pachon et al ., 2020)。食品行业的评估重点作物以及生物产品(Notarnicola et al ., 2017;Cederberg et al ., 2019;Kulmer et al ., 2020;加西亚冈萨雷斯和Bjornsson 2022)、牛奶和牛奶制品(Reveret et al ., 2015;Romano et al ., 2021),蔬菜和肉类(Torrellas et al ., 2012;Mugumaarhahama et al ., 2021;Wilfart et al ., 2021;Lopez-Andres et al ., 2018)和一般食品生产(Gunasekera Finnigan 2010)。

本文的组织结构如下:我们描述材料和方法部分材料和方法。部分结果报告结果为社会经济和环境影响评价,当我们讨论我们的主要结果和结论部分讨论和结论。

材料和方法

在本节中,我们提供了详细的方法用于社会经济和环境影响评估;且投入产出模型是用于社会经济影响评价和生命周期评估是用于评估环境影响。这是紧随其后的详细描述不同的场景和案例研究。

且投入产出模型

方法论上socio-impact评估主要使用且投入产出分析(概述Brinkman et al ., 2019),因为他们可以区分直接,间接,诱导效果和可以包括多个影响相比可计算的一般均衡(CGE)和局部平衡(PE)模型。MRIO模型能够从它的起源跟踪整个生产过程通过中间生产阶段到最终目的地。跟踪始于主要投入劳动、资本、土地或其他环保商品和结束的最终消费产品和服务(Steen-Olsen et al ., 2012;Weinzettel和木材,2018年;Kulmer et al ., 2020)。由于区际联系,实现影响的地区(例如,创建附加价值)和活动产生经济活动的其他地方(即引起最大的溢出效应)很容易识别(Lenzen et al ., 2012;Giljum et al ., 2015)。

MRIO模型是相互关联的线性方程,表示,通常在货币值,在全球经济中流动。我们可以用矩阵方程系统的符号来描述不同的元素,以及全球经济的总产出是行业所使用的中间投入,或满足最终需求。为了提高可读性和清晰的读者我们从部门解集抽象:

$X_{我}$ 表示经济部门的总输出的列向量我 $\left(我,j\in R\right)$ 。一个是一个系数矩阵描述输入/输出比率在这些行业的生产 ${\mathrm{一个}}_{我j}$ 表示输入领域的国家我需要从每个部门产生一个单位的输出j。 $Y_{我}$ 是一个列向量总输出的最终需求的国家吗我。

这个方程可以转换成 $X={(我-\mathrm{一个})}^{-1}Y$ ,在那里 ${(我-\mathrm{一个})}^{-1}$ 描述了里昂惕夫逆矩阵 $l$ ,它代表了最终需求的产出乘数关系。鉴于任何最终需求,满足这种需求所需的总产量是里昂惕夫逆矩阵的乘积,和最终需求。这是直接和间接需求单位最终需求。

通过MRIO分析,我们可以估计的总输出货币而言,会产生不同的经济部门为了满足中间和最终需求的商品和服务。情商。也可以分解如下:

在哪里 $我y$ 直接影响和吗 $\left(\mathrm{一个}y+\mathrm{一个}\mathrm{一个}y+\dots +{\mathrm{一个}}^{n}y\right)$ 间接以及诱导的影响。附加价值乘数是由 $vl$ ,那里的向量 $v=V/X$ 和向量 $V$ 从国家和行业代表总附加值。类似地,的就业乘数 $el$ ,那里的向量 $e=E/X$ 和向量E代表就业部门和国家。

MRIO模型校准EXIOBASE版本3的数据(木头et al ., 2015;Stadler et al ., 20182019)。模型包括163个行业,包括44个国家和五大洲的世界其他地区。从多个MRIO数据库如WIOD EXIOBASE,遇见EORA,经合组织国家间投入产出和GTAP进行全局分析我们选择EXIOBASE基于以下标准:1)高分辨率的别致的许多农业活动等相关行业,食品行业,食品加工行业和制药、2)数量的国家和地区中,3)广泛的卫星的环境、经济和农业方面,以及4)最近的数据集与一致的年度全球MRIO表的时间跨度1995 - 2019(注意,从2011年预测MRIO表)。

生命周期评估

我们运用归因的方法“生命周期评估(LCA)”来评估产品的环境影响。LCA已经成为一个标准的方法来评估环境影响,国际标准ISO 14040中定义的(国际标准化组织,2006年):LCA方法编制和评估的输入和输出流,以及产品的潜在环境影响系统在其生命周期的不同阶段。环境影响包括自然资源的使用和排放的影响。阶段包括提取原材料、制造、分销、产品使用、回收和最终处置(从摇篮到坟墓/门)(ISO 14040,国际标准化组织,2006年)。在这项研究中,我们应用一个“从摇篮到门”评估和影响关注温室气体(GHG)排放,初级能源需求。

方法论上,LCA结构的连续四个阶段:1)目标和范围定义(包括一个明确的功能单元的定义,系统boundaries-see图2——相关假设);2)生命周期库存(编译的所有输入和输出分别从自然和关联的所有进程,形成系统的生命周期的一部分);3)生命周期影响评价(输入和输出的全部存货转化为一系列聚合环境影响指标);(4)解释结果进行了讨论和比较合适的基准)(详情见ISO 14040,国际标准化组织,2006年)。

评估的贡献的温室气体排放,全球变暖可能在100年使用时间范围(GWP 100)。的GHG-CO₂,CH₄N₂o是表示的等价数量的有限公司₂(有限公司₂情商)。因此,有限公司₂情商因素来自(et al .,古纳尔2013)使用的因素包括气候碳反馈。中包括直接和间接碳排放评估。有限公司₂燃烧生物质平衡零排放根据联合国政府间气候变化专门委员会指南(联合国政府间气候变化专门委员会,2019)。在MWh)累积初级能源需求(包括总能源需求(化石、可再生、其他)的所有流程步骤的菊粉生产。

两种类型的数据用于LCA calculation-namely前景和背景数据。前台主要是基于数据从案例研究中收集的信息通过感觉BV网站;细节部分提供了场景。背景数据材料,燃料和运输从数据库主要收集Ecoinvent 3.7.1 (Wernet et al ., 2016),对一些信息,就5.0 (IINAS 2021使用)。信息的混合电力来自荷兰欧洲委员会(2020)。

两个评价是MRIO模型和LCA-use生产型的方法和建立在相同的假设,允许一个一致的综合经济和环境影响的分析。这两种方法评估整个上游供应链。

场景

在本文中,我们研究基于菊苣菊粉的整个价值链与所有生产阶段(图1基于案例研究的网站;感觉BV的生产工厂。位于荷兰。一般来说,菊苣根是收获从9月到12月(在北半球,根据当地的气候条件)(戈登et al ., 2018)。收获根然后运输到工厂,他们在哪里洗、芯片和清洁。接下来,根是用热水提取,之后,后续的纯化步骤应用于去除蛋白质、矿物质、多酚、有机酸和倍半萜烯内酯(此处“萜烯”)。净化的类型和流程步骤的顺序可能不同但最终,纯化过程中液体流蒸发和喷雾干燥产生纯菊粉(潘恩et al ., 1932;勒克莱尔和接触1993;De Leenheer 1996;De Leenheer史密特1999;奥利维拉和公园,2008年)。所有当前商业菊粉过程的共同点是,流程是致力于菊粉的净化,而很多关注其他潜在有价值的组件的净化。当然,侧流处理最优的和可持续的方式。

目前的现状从传统菊苣菊粉生产作为参考场景和描述当前商业化的过程。两个NPBT场景分析和影响相对于参考菊粉的过程。“改进的菊粉过程”的场景表示NPBT菊苣菊粉含量更高,因此使更高收益率的菊粉相比,参考场景。虽然选择过程类似于当前的菊粉生产过程,减少的萜烯NPBT菊苣变异导致减少所需的净化措施对当前进程。必须明白,别致的繁殖结果项目并没有导致每个植物菊苣菊粉积累较高的变体。由此产生的变异似乎有一个表达下调对冷应激反应和减少叶。参考的情况下,菊苣将分解菊粉在典型的季节性压力条件下,发生在秋天(越来越冷期和退化的叶子)。逻辑上说,这一时期大约中间的收获时期的菊粉的运动,因此,影响年度总体内容可供提取菊粉。通过减少这种应激反应,平均参考菊粉水平在收获期间将保留更长时间,从而导致整体较高含量和产量每年菊粉。进行比较的原因,整个高菊粉含量一直在增加percentual代表每植物场景计算而不是之前的17% (19%)。 The scenario “Multi-product process” denotes a multi-ingredient process, where NPBT chicory has not only a higher inulin content but also includes specific health beneficial terpenes. Thus, in a different adsorption process, two products are yielded, inulin (same amount and quality as in the improved inulin process) and terpenes (applied as nutraceuticals). In general, optimizing a specific trait by breeding can lead to undesired tradeoffs on other aspects. In both scenarios that are presented in this paper, the results of the breeding experiments were grown in greenhouses to full plants. Although greenhouse conditions are different to open field conditions, the greenhouses were by no means sterile environments but required given the current regulatory status of the NPBT techniques that were used. The fact that fully grown plant could be harvested gave us confidence that these traits can result in a viable commercial crop.

补充附录表SA1提供信息的特征评估场景。它假定,菊苣变异的两个NPBT场景不考虑转基因生物(GMO),由于欧洲法院的裁决2018 (欧洲法院,2018)。当新的菊苣变异被认为是GMO(目前是欧洲法院的裁决),只有一个非食品价值链是可行的,因为它不是可预见的食物(补充)应用程序在欧洲市场上的原料是可行的转基因作物。¹

为了比较两个NPBT场景参考的情况下,相同的一组假设关于培养(大田栽培在案例研究区域),年平均产量每公顷)(46 t菊苣,菊粉的市场价值(对2 k€/ t;产品质量等于当前商业产品)和萜烯作为集中出售糖浆(约200 k€/ t活性成分)构成分析。化肥和农药的使用每公顷被假定等于在这两种场景和参考方案。由于知识的实际状态,不能假定新菊苣变异需要更高或更低的营养或杀虫剂。之间的主要区别NPBT场景和参考菊粉过程是菊苣根的菊粉含量。在参考情景假设的菊粉含量为17%,平均NPBT场景的特点是菊粉含量明显高于19%。因此,一方面,产量在物理和货币方面超过了一个参考菊粉的过程,另一方面,我们发现更高效率的菊粉产量每公顷土地。成本和排放的基础设施建设,如建筑物或大型机械是不相关的,因此不包括在我们的评估,所有场景显示相同的需求。此外,侧流菊苣根髓不被认为是在我们评估由于自然经济价值较低,因此可以忽略不计。每个场景的经济和环境表现的细节说明节经济和环境场景的性能。

农业数据的菊苣菊粉以及萜烯生产源于感觉BV别致的案例研究网站项目。感觉BV是菊苣菊粉的最大制造商之一,参与了完整的供应链从农场到促进健康成分。感觉BV提供数据和假设在当前商业菊粉生产过程基于模拟数据以及商业案例的菊粉和萜烯生产NPBT菊苣变体。此外,感觉在大田种植菊苣BV提供信息。指导农民种植菊苣在荷兰和欧洲大陆(瓦赫宁根大学和研究(主编),2018年感觉BV)补充数据。生物活性数据,因此使用的菊苣菊粉含量和萜烯获得的商业案例两个NPBT场景源于实验的别致的项目(马托斯et al ., 2020;Baixinho et al ., 2021;Cankar et al ., 2021;哈基宁et al ., 2021;马托斯et al ., 2021)。另外我们利用相关研究来验证关键假设关键部分的价格,如种子,和生产力的变化NPBTs (Garcia-Yi et al ., 2014;Noleppa 2016;琼斯等人。,2017年)。

MRIO分析计算有关的社会经济影响商品和服务的最终需求,表示y在前面的方程(情商。)。因此,有必要指定所有货物需要在分析工业化供应行业价值链和识别他们的经济建设最终需求向量y (德拉鲁阿和炭火烤乳猪2016;王et al ., 2020)。在这项研究中,最后一个好是菊粉,在一个案例中菊粉和萜烯,我们定义的所有商品和服务所需的必要收益率各自的最后好(细节描述的部分经济和环境性能的场景)。这种方法的附加退一步并指定整个价值链中先进的MRIO分析(米勒和布莱尔2009年)。

同样,LCA的目标是计算各自的环境影响的“从摇篮到门”(如前所述也在部分生命周期评估)派生的菊粉产品每年使用的功能单元1 t菊粉生产过程。因此,整个价值链的质量和能量平衡需要翻译的年度和输出环境影响。系统边界(图2)包括输入基质的生产(如化肥、农药)种植和收获的过程,所需的运输生产设施、辅助材料和辅助生产过程所需的能量。平均传输距离约。100公里的根部加工位置。比较原因分配在该方案中“多产品过程”是必要的。有不同的分配方法(见例如,ISO 14040,国际标准化组织,2006年),分配温室气体排放和初级能源需求的主要和次要产品根据质量,能量,(火用)的内容和经济附加值。关于温室气体排放的估算和初级能源需求,衍生产品的质量分配的吨菊粉和萜烯是最适合的,和影响分配给菊粉生产的数量。

结果

结果部分的结构如下:首先,我们提供的数据和细节假设潜在的社会经济和环境影响评估。第二,关于生产商品和服务的产出、社会经济影响增值为所有场景和创造就业部门和区域的细节。第三,同样,关于温室气体排放产生的环境影响和初级能源需求的场景进行了讨论。两个评估关注的影响的比较两个NPBT场景与参考菊粉的过程。

经济和环境场景的性能

根据活动要求在整个过程和相关的成本,我们已经计算从菊苣菊粉和萜烯的经济表现。表1显示了聚合每个场景的整个价值链成本(细节报告SA2补充附录表)。每个场景的最终需求向量描述了所需的货币单位成本培养,收获,洗和芯片菊苣,其传输和存储以及工厂的最后过程得到菊粉和萜烯。表1报告成本向量,然后用于计算系统相关的社会经济影响。注意,社会经济评估假设在这三个场景中等量的菊苣(即。60000 t)是收获。因此,更高的菊苣菊粉含量两个NPBT场景使菊粉产量更高,因此更高的产量相比,参考菊粉的过程。

总共二十多个活动部门直接提供所需的商品和服务的最终需求。虽然产值显著的高于NPBT场景,经济结构相似的技术,因此所有场景。制造产品和化学品占总成本的四分之一,而电力使用过程中产生菊粉和萜烯约占12% - -14%。虽然化石燃料的成本份额相当小,多产品过程需要两倍(4%)。从工厂和运输服务,如行政、业务和租赁服务大量成本类别。农业成本有点高NPBT场景,因为基因编辑种子更昂贵的比传统的等效。此外,NPBT场景生成的直接增值(表1)相比,参考菊粉的过程,这是计算从总收入减去中间投入。更准确地说,在NPBT场景直接增值产出占总产量的一半(参考场景只有三分之一)。原因之一是,由于菊苣菊粉含量越高,农民接受更高的价格相对于参考菊粉的过程。多产品过程中,直接附加值越高相比,改进和参考菊粉的过程,要追溯到1)更高的资本需求由于multi-ingredient过程的不同结构和2)更高的收入对农民和工厂,由于额外的萜烯市场价值。

环境评估,不同的质量和能量平衡过程是最重要的。表2报告每个场景的主要细节。的NPBT菊苣变异基础场景收益率更高的输出的菊粉生产/ t菊苣根,由于较高含量的菊粉(19%)。比较三个场景相同数量的菊粉生产(每年10619 t菊粉)应用于LCA符合1 t菊粉的功能单位。在社会经济评估的比较场景是基于60000 t收获菊苣根在每个场景。²菊粉的热值和菊苣根等于在所有场景,因此排除在比较。此外,正如之前提到的,我们需要一个分配包括产生的环境影响的菊粉生产的多产品的过程。参考和改进的过程只有一个产品(菊粉)和分配100%的温室气体排放和初级能源需求的过程。多产品的过程,因为有两种产品(菊粉和萜烯)排放和初级能源需求之间必须分配到每个产品。通过质量分配(应用在这项研究中,也看到部分场景)的t菊粉和萜烯,大约。温室气体排放总量的83%和总初级能源需求分配给菊粉生产的数量。如果我们应用质量分配使用t干物质产品,大约。温室气体排放总量的91%和总初级能源需求将会分配给菊粉生产。如果我们使用一个经济分配约。温室气体排放总量的74%和总初级能源需求将会分配给菊粉生产,假设相同的市场价格在社会经济评估(详情参见场景)。 Part of the life cycle inventory is included in补充附录表SA3。

社会经济影响

表3报告生产、全球经济增加值和就业产生为了满足最终需求的商品和服务所需的所有阶段,从菊苣播种到门口感觉BV屈服菊粉和萜烯。正如所料,由于NPBTs生产率越高,社会经济影响远远高于参考场景;多产品过程显示最高的效果。在后者的全球经济产生约74€的商品和服务,从近41米€对全球GDP的贡献。随着经济活动的增加是积极的就业效应与近1000个工作岗位。社会经济影响参考菊粉的过程和改进的菊粉的过程是相似的关于方向的影响,但在一个较小的规模(多产品过程的两个第三)。

使用MRIO分析使我们能够分解三种类型的社会经济影响效果:1)直接影响措施的经济活动与生产直接相关的商品和服务与我们的系统(从菊苣菊粉和萜烯)。2)间接组件措施backward-linked产业的生产商品和服务的提供直接的商品和服务。3)诱导组件措施的影响直接雇员的收入的增加(所有员工相关的直接沿着价值链与菊粉的生产和萜烯)。图3显示了这三个影响的重要性在每一个社会经济效应。正如所料,诱导效应贡献最低在所有情况下,而间接影响最高的一个。在多产品过程中,间接影响贡献超过49米€总效果,会计超过65%。在就业的情况下,间接影响的重要性更加明显,它产生在所有场景中超过70%的影响。增值的类别,直接影响最高(30% - -35%的贡献,根据场景)。

为了更详细地研究之间的差异影响场景中,我们计算最终需求乘数(见表3)。乘数是值量化的经济影响来自系统的扰动。这些包括初始效应造成的直接后果以及间接涟漪对经济总量的影响(米勒和布莱尔,2009)。乘数效应是总的经济影响估计之间的比率,表示X在前面的方程和直接的钱花在NPBT场景在商品和服务方面,表示y在方程(和报告作为最终需求总量表1)。多产品的过程中获得了最高的乘数;因此,当最终的消费者需要1€的菊粉和萜烯感觉BV门口出售,就会生成一个增值的2.4€,会有一个总生产的商品和服务在整个经济相当于4.3€(直接、间接和诱导)。各自的参考场景和场景中乘数与改进的菊粉过程略小。这些结果强调的能力菊苣菊粉和萜烯为基础来提高经济活动和增加欧盟的竞争能力。后者还强调了(见区域分配的影响图4)。不足为奇的是,最高的影响是荷兰的发现。占约70%的增值和生产商品和服务的影响是相当高的。由于强大的欧盟贸易联系,其他欧洲国家也利润。总的来说,近80%的收获的附加值和产量保持欧盟。然而,转向我们发现由于同等的就业数量极低的工资在非洲以及东南亚结合高间接影响通道的重要性,这些区域显示最高的就业效应。

MRIO分析的主要优点之一是不仅要识别地区影响发生但也最高的活动领域的贡献。因为方向的效果是相似的在所有情况下,图5说明了对经济领域的影响的例子多产品过程(扇形影响发表在剩下的两个场景补充附录图SA1)。对经济领域的影响取决于指标。对于增加值和就业,食品、农作物、运输服务、其他商业服务和批发贸易部门受益最多。后者也三个等级最高的产量 $y$ 。结果表明,关键的服务行业,如业务服务、批发贸易、租赁的机械、电信以及制造行业,如化工、电力和金属经济高度相互关联,因此在所有场景中获益。生产药用萜烯提供可选输入货物的药用和制药industry-included其他服务。可能的替代效应并不认为这种分析由于缺乏新的流程或产品信息。在荷兰地区的角度来看,主要是负责社会经济附加值和产量的影响。在就业方面,就业数量的影响在很大程度上来自亚洲和太平洋地区(国家层面就业是最刺激在中国,印度和印度尼西亚)。

环境影响

使用LCA,对温室气体排放和累积影响整个价值链的初级能源需求量化。图6显示了温室气体排放和累积的主要能源需求分析NPBT场景相比,参考场景。多产品的环境影响过程分配给t菊粉生产,使比较(见部分场景)。温室气体排放最高显示参考菊粉过程1.46 - -1.62 t有限公司₂情商/ t菊粉,紧随其后的是改进的菊粉过程1.30 - -1.44 t有限公司₂情商/ t菊粉和多产品过程1.26 - -1.39 t有限公司₂情商/ t菊粉。与累积初级能源需求,也参考菊粉过程显示了最高金额为7.16 -7.91千瓦时/ t菊粉,紧随其后的是改进的菊粉过程/ t 6.38 - -7.05兆瓦菊粉和多产品过程,6.14 - -6.78千瓦时/ t菊粉。菊苣中菊粉含量越高根重要的是减少温室气体排放和累积的主要能源需求NPBT场景。这种效果是最明显的比较改进的菊粉过程与参考菊粉的过程。而改进的菊粉过程显示降低温室气体排放和累积初级能源需求约每t菊粉。11% (0.15 - -0.18 t有限公司₂情商/ t菊粉;0.78到0.86千瓦时/ t菊粉),在多产品过程中,我们看到一个减少约。14% (0.21 - -0.23 t有限公司₂情商/ t菊粉;1.02到1.13千瓦时/ t菊粉)相比,参考菊粉的过程。化石初级能源需求贡献71%在过程改进的菊粉(4.55 - -5.03千瓦时/ t菊粉)和参考菊粉过程(5.11 - -5.64千瓦时/ t菊粉)和75%(4.60 - -5.08千瓦时/ t菊粉)在多产品过程中累计一次能源总需求;可再生能源需求22%(1.38 - -1.52千瓦时/ t菊粉)在多产品过程中,26%在过程改进的菊粉(1.63 - -1.81千瓦时/ t菊粉)和参考菊粉过程(1.83 - -2.03千瓦时/ t菊粉),和其他初级能源需求约。3%(0.16 - -0.24千瓦时/ t菊粉)在所有场景。多产品过程的特点是主要化石能源需求更高,因为生产过程需要更高的天然气数量/ t菊粉。

集中在三个主要流程步骤(种植和收割、运输以及处理的菊粉),揭示,如示图7温室气体排放总量,最高的贡献(1.01 - -1.25 t有限公司₂情商/ t菊粉,分别地。77% - -80%)和累积初级能源需求(5.13 - -6.42千瓦时/ t菊粉,分别地。81% - -84%)源于菊苣根的处理菊粉。相比之下,运输过程步骤贡献最小的环境影响(0.11 - -0.16 t有限公司₂情商/ t菊粉,分别地。9%的温室气体排放总量的-10%,0.49 - 0.73千瓦时/ t菊粉,分别地。8%的一次能源总需求的-9%)所有场景。由于菊粉含量较高的根两个NPBT场景,温室气体排放和初级能源需求相比小得多的参考菊粉的过程。这一趋势是所有流程步骤中观察到。然而,比较温室气体排放和累积的初级能源需求NPBT场景显示类似的大小只有微不足道的差异。

图8显示的贡献不同的辅助材料和流程步骤中需要辅助能源的种植和收割和运输领域的工厂。其中电力混合是温室气体排放的主要来源。从电力温室气体排放中所占的份额约。59%的温室气体排放总量的情况下改进的菊粉过程(0.81 t有限公司₂情商/ t菊粉)和参考菊粉过程(0.91 t有限公司₂情商/ t菊粉)。多产品的过程显示了约。51% (0.68 t有限公司₂情商/ t菊粉)最小的但仍然重大贡献的电力的总温室气体排放。相比之下,天然气的份额总数的温室气体排放是最高的多产品(约过程。17%,0.22 t有限公司₂情商/ t菊粉),虽然它是显著降低(约在其他两个场景。5%,0.06 resp 0.07 t有限公司₂情商/ t菊粉)。N₂O排放直接使用氮肥的使用联合国政府间气候变化专门委员会的指导方针包括(联合国政府间气候变化专门委员会,2019)。直接氮肥导致排放形式的N₂O是温室气体排放总量贡献了约2%。温室气体排放的股票而言,参考菊粉过程和改进的菊粉过程不显示任何显著差异,然而,在绝对数量提高了菊粉过程中排放的温室气体量要低得多比参考菊粉的过程。

讨论和结论

尽管菊粉的相关性对人类健康和巨大的市场价值,菊苣仍是一个落后的作物可用耕地在欧洲。原因之一是,其他作物更有益,在收入方面,农民。植物育种新技术开发的别致的项目(h2020 nmbp -研究- 07 - 2017,GA 760891号)导致菊苣的减少应激反应和结果,更高的整体菊粉产量每年另外提取萜烯,与健康有关的化合物,从而实现更高的生产率比传统菊苣(马托斯et al ., 2020;Baixinho et al ., 2021;Cankar et al ., 2021;Hakkinnen et al ., 2021;马托斯et al ., 2021)和增加的竞争价值菊苣旋转周期的农民。两个场景基于新菊苣变异分析和影响相对于参考场景,描述了当前商业从传统菊苣菊粉的过程。菊粉两NPBT场景显示更高的整体内容导致更高的菊粉每年产量,但菊粉吸附过程不同。当一个旨在优化整体菊粉产量,另一个探索综合利用的潜力,产生菊粉和健康有益的萜烯。

进行环境和社会经济影响评价的整个价值链的新菊苣变异及其衍生产品,我们发现NPBTs有可能1)刺激经济活动以及竞争能力和2)降低初级能源需求和更低的温室气体排放。

更准确地说,通过应用且输入输出分析,我们发现,创造更多的就业机会和新菊苣菊粉变异产生高附加值以及生产的商品和服务在整个经济,基于传统的菊苣作为当前的商业过程。减少了菊粉的影响分解(因此整体高菊粉含量)有重大的积极影响社会经济指标。最高的影响得到了多产品过程中,参考菊粉相比,额外的增值过程相当于超过4000万欧元。生产的商品和服务以及附加值增加的500万欧元提高菊粉的过程。还可以看到,多产品的增值过程,因此也商业化促进健康萜烯(1600万欧元)的关系更有助于参考菊粉生产。虽然不是直接在本文相比,它可以认为,当前没有任何的萜烯商业化育种优化也会在商业上很有吸引力的。从地区的角度来看,近70%的生成的附加价值积累在荷兰和欧洲内部生成80%以上。欧洲以外,由于进口泄漏,中国和美国部门是最受益的。一般来说,行业最刺激的新流程是农业和粮食生产、化工行业、商业服务业和交通运输业。从政策的角度来看,基于NPBT价值链的能力提高欧盟竞争力和减少对外依赖需要一个开发潜力的地区和欧盟食品政策策略。

在环境影响方面,生命周期分析(LCA)突显出基于新菊苣菊粉流程变异会导致较低的温室气体排放和累积初级能源需求相比,参考菊粉的过程。最主要的原因,如社会经济评估,这种积极效应的NPBT场景根每t菊苣菊粉含量。温室气体减排范围在11%和14%之间,这取决于采用的过程。另外,关于气候中立的生产,我们发现-53%的温室气体排放总量减少47%的情况下是可能的混合使用可再生电力的电力需求的处理步骤,而不是国家电力混合。累积的初级能源需求可能降低22% -26%应用可再生电力混合。荷兰国家电力混合相对强烈温室气体自生成天然气的比例高(36%)和煤(18%)(欧洲委员会,2020)。

总结,从社会经济和环境的角度来看,多产品的过程,是最有益的。这并不奇怪,因为这个过程收益率两个产品,菊粉和萜烯。不过,也改善了菊粉过程产生积极的经济影响和导致更低的温室气体排放以及初级能源需求相对于参考菊粉的过程。结果在一个更广泛的角度来看,除了聚集在这个案例研究中,可以设想,NPBT在菊苣的使用将影响人类健康提供了建立促进健康成分如菊粉更有效率,而且使生产新的促进健康成分如STL。这项研究的结果证实,这种作物改良更广泛的积极影响整个生产周期从菊苣的提高竞争力的旋转周期欧洲农民和导致更广泛积极的欧洲经济和环境的影响。

必须指出的评估都有局限性。影响评估的准确性强烈依赖于输入数据的质量。这个案例研究的建模数据是基于一个研究项目。案例研究的评估基于最好的数据。整个场景相比,他们是一致的。不过,为了解决建模数据的限制,我们进行了鲁棒性检查通过灵敏度分析和交叉核对相关文献。灵敏度分析通过改变菊粉含量(15% - -21%)和生产率(每公顷)增加和减少菊苣收益率NPBT场景支持我们的研究结果还表明,在大多数设置,NPBT过程产生更高的经济影响。同样的,假设一个更高的产量每公顷新菊苣的变异以每年50 t菊苣根而不是46 t菊苣根,每年可以减少温室气体排放总量约。1%,而较低的产量每公顷40 t菊苣根和一年大约会增加温室气体排放。2%。 Future research could use data from successful field trials to evaluate the potential of NPBT based value chains to contribute to the goal of a fair, sustainable, healthy and environmentally friendly food system in Europe and to derive specific up-scaled scenarios to meet this objective.

LCA不仅有助于理解和社会经济评估整个过程的直接影响,而且还间接和诱导效应所产生的不同的产品或过程。虽然社会经济和环境影响的估计在这项研究反映了非常具体的案例研究中,,应该被相应地治疗,这些结果可以很容易地转移到其他作物用于膳食纤维和营养素在中欧与农业周期,因此类似的成本结构。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步的调查可以针对相应的作者。

作者的贡献

MH和VK:概念、方法论、数据管理,正式的分析,调查,原创作品。先生:数据管理和原创作品。马克:方法和调查。

资金

这个项目已经收到了欧盟的资助下地平线2020研究和创新计划资助760891号协议(h2020 - nmbp -研究- 07 - 2017:新的植物育种技术(NPBT)分子农业:多用途工业bioproducts)作物。

确认

我们感谢杜米尼克Kortschak优秀的造型援助,马库斯Simburger的数据处理和筛选文献,Gerfried Jungmeier对他的专长LCA造型和大卫尼尔鸟语言编辑和校对。

的利益冲突

作者先生目前受雇于该公司感觉BV。

其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fgeed.2022.919392/full补充材料

脚注

¹辩论在基因组编辑在欧盟的法律地位是持续的和不确定的。当前欧盟立法明确实现一些新的挑战和不适合目的基因技术。欧盟委员会(European Commission) (欧洲委员会,2021)建议需要修订的科学和技术进步;特别是在欧洲绿色的光协议,建立和生物多样性策略。

²注意,这些差异由于各自的社会经济和环境评估的要求,没有对结果和结论的影响。

引用