Ingeniería ecológica

La ingeniería ecológica utiliza la ecología y la ingeniería para predecir, diseñar, construir o restaurar y gestionar ecosistemas que integran "la sociedad humana con su entorno natural en beneficio de ambos".

Orígenes, conceptos clave, definiciones y aplicaciones

La ingeniería ecológica surgió como una nueva idea a principios de la década de 1960, pero su definición ha tardado varias décadas en refinarse, su implementación aún está en proceso de ajuste y su reconocimiento más amplio como un nuevo paradigma es relativamente reciente. La ingeniería ecológica fue presentada por Howard Odum y otros como la utilización de fuentes de energía natural como el insumo predominante para manipular y controlar los sistemas ambientales. Los orígenes de la ingeniería ecológica se encuentran en el trabajo de Odum con el modelado ecológico y la simulación de ecosistemas para capturar macropatrones holísticos de flujos de energía y materiales que afectan el uso eficiente de los recursos.

Mitsch y Jorgensen resumieron cinco conceptos básicos que diferencian la ingeniería ecológica de otros enfoques para abordar problemas en beneficio de la sociedad y la naturaleza: 1) se basa en la capacidad de autodiseño de los ecosistemas; 2) puede ser la prueba de campo (o ácido) de las teorías ecológicas; 3) se basa en enfoques de sistema; 4) conserva fuentes de energía no renovables; y 5) apoya la conservación biológica y de ecosistemas.

Mitsch y Jorgensen fueron los primeros en definir la ingeniería ecológica como el diseño de servicios sociales que benefician a la sociedad y la naturaleza, y luego señalaron que el diseño debe basarse en sistemas, ser sostenible e integrar a la sociedad con su entorno natural.

Bergen et al. definió la ingeniería ecológica como: 1) utilizar la ciencia y la teoría ecológicas; 2) aplicar a todo tipo de ecosistemas; 3) adaptar los métodos de diseño de ingeniería; y 4) reconocimiento de un sistema de valores rectores.

Barrett (1999) ofrece una definición más literal del término: "el diseño, construcción, operación y gestión (es decir, ingeniería) de estructuras paisajísticas/acuáticas y comunidades de plantas y animales asociadas (es decir, ecosistemas) para beneficiar a la humanidad y, a menudo, la naturaleza". Barrett continúa: "otros términos con significados equivalentes o similares incluyen ecotecnología y dos términos que se utilizan con mayor frecuencia en el campo del control de la erosión: bioingeniería del suelo e ingeniería biotécnica. Sin embargo, la ingeniería ecológica no debe confundirse con 'biotecnología' cuando se describe la ingeniería genética a nivel celular. nivel, o 'bioingeniería' que significa construcción de partes artificiales del cuerpo".

Las aplicaciones en ingeniería ecológica se pueden clasificar en 3 escalas espaciales: 1) mesocosmos (~0,1 a cientos de metros); 2) ecosistemas (~1 a 10s de km); y 3) sistemas regionales (>10s de km). La complejidad del diseño probablemente aumenta con la escala espacial. Las aplicaciones están aumentando en amplitud y profundidad, y es probable que afecten la definición del campo, a medida que se exploran más oportunidades para diseñar y utilizar ecosistemas como interfaces entre la sociedad y la naturaleza. La implementación de la ingeniería ecológica se ha centrado en la creación o restauración de ecosistemas, desde humedales degradados hasta tinas multicelulares e invernaderos que integran servicios microbianos, de peces y plantas para procesar aguas residuales humanas en productos como fertilizantes, flores y agua potable.Las aplicaciones de la ingeniería ecológica en las ciudades han surgido de la colaboración con otros campos, como la arquitectura paisajista, la planificación urbana y la horticultura urbana, para abordar la salud humana y la biodiversidad, tal como se establece en los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU, con proyectos holísticos como la gestión de aguas pluviales. Las aplicaciones de la ingeniería ecológica en paisajes rurales han incluido el tratamiento de humedales y la reforestación comunitaria a través del conocimiento ecológico tradicional. La permacultura es un ejemplo de aplicaciones más amplias que han surgido como disciplinas distintas de la ingeniería ecológica, donde David Holmgren cita la influencia de Howard Odum en el desarrollo de la permacultura.

Directrices de diseño, clases funcionales y principios de diseño.

El diseño de ingeniería ecológica combinará la ecología de sistemas con el proceso de diseño de ingeniería. El diseño de ingeniería generalmente implica la formulación de problemas (objetivo), el análisis de problemas (restricciones), la búsqueda de soluciones alternativas, la decisión entre alternativas y la especificación de una solución completa. Matlock et al. proporcionan un marco de diseño temporal, que establece que las soluciones de diseño se consideran en el tiempo ecológico. Al seleccionar entre alternativas, el diseño debe incorporar la economía ecológica en la evaluación del diseño y reconocer un sistema de valores guía que promueva la conservación biológica, beneficiando a la sociedad y la naturaleza.

La ingeniería ecológica utiliza la ecología de sistemas con el diseño de ingeniería para obtener una visión holística de las interacciones dentro y entre la sociedad y la naturaleza. La simulación de ecosistemas con el lenguaje de sistemas energéticos (también conocido como lenguaje de circuitos de energía o energese) de Howard Odum es una ilustración de este enfoque de ecología de sistemas.El desarrollo y la simulación de este modelo holístico definen el sistema de interés, identifican los límites del sistema y diagraman cómo la energía y los materiales se mueven hacia adentro, dentro y fuera de un sistema para identificar cómo usar los recursos renovables a través de los procesos del ecosistema y aumentar la sostenibilidad. El sistema que describe es una colección (es decir, un grupo) de componentes (es decir, partes), conectados por algún tipo de interacción o interrelación, que colectivamente responde a algún estímulo o demanda y cumple algún propósito o función específica. Al comprender la ecología de sistemas, el ingeniero ecológico puede diseñar de manera más eficiente con componentes y procesos del ecosistema dentro del diseño, utilizar energía y recursos renovables y aumentar la sostenibilidad.

Mitsch y Jorgensen identificaron cinco clases funcionales para diseños de ingeniería ecológica:

1. Ecosistema utilizado para reducir/resolver el problema de la contaminación. Ejemplo: fitorremediación, humedales de aguas residuales y biorretención de aguas pluviales para filtrar el exceso de nutrientes y la contaminación por metales
2. Ecosistema imitado o copiado para abordar el problema de los recursos. Ejemplo: restauración de bosques, reemplazo de humedales e instalación de jardines de lluvia en las calles para extender la cubierta del dosel y optimizar el enfriamiento residencial y urbano
3. El ecosistema se recuperó después de la perturbación. Ejemplo: restauración de tierras mineras, restauración de lagos y restauración de canales acuáticos con corredores ribereños maduros
4. Ecosistema modificado de manera ecológicamente racional. Ejemplo: cosecha selectiva de madera, biomanipulación e introducción de peces depredadores para reducir los peces planctívoros, aumentar el zooplancton, consumir algas o fitoplancton y clarificar el agua.
5. Ecosistemas utilizados para el beneficio sin destruir el equilibrio. Ejemplo: agroecosistemas sostenibles, acuicultura multiespecies e introducción de parcelas agroforestales en propiedades residenciales para generar producción primaria en múltiples niveles verticales.

Mitsch y Jorgensen identificaron 19 principios de diseño para la ingeniería ecológica, pero no se espera que todos contribuyan a un solo diseño:

1. La estructura y función del ecosistema están determinadas por las funciones forzadas del sistema;
2. Las entradas de energía a los ecosistemas y el almacenamiento disponible del ecosistema son limitados;
3. Los ecosistemas son sistemas abiertos y disipativos (no equilibrio termodinámico de energía, materia, entropía, sino aparición espontánea de estructura compleja y caótica);
4. La atención a un número limitado de factores de gobierno/control es más estratégica para prevenir la contaminación o restaurar los ecosistemas;
5. Los ecosistemas tienen cierta capacidad homeostática que resulta en suavizar y deprimir los efectos de insumos fuertemente variables;
6. Hacer coincidir las rutas de reciclaje con las tasas de los ecosistemas y reducir los efectos de la contaminación;
7. Diseño para sistemas pulsantes siempre que sea posible;
8. Los ecosistemas son sistemas de diseño propio;
9. Los procesos de los ecosistemas tienen escalas temporales y espaciales características que deben tenerse en cuenta en la gestión ambiental;
10. Se debe defender la biodiversidad para mantener la capacidad de diseño propio de un ecosistema;
11. Los ecotonos, las zonas de transición, son tan importantes para los ecosistemas como las membranas para las células;
12. El acoplamiento entre ecosistemas debe utilizarse siempre que sea posible;
13. Los componentes de un ecosistema están interconectados, interrelacionados y forman una red; considerar esfuerzos directos e indirectos de desarrollo de ecosistemas;
14. Un ecosistema tiene una historia de desarrollo;
15. Los ecosistemas y las especies son más vulnerables en sus límites geográficos;
16. Los ecosistemas son sistemas jerárquicos y forman parte de un paisaje más amplio;
17. Los procesos físicos y biológicos son interactivos, es importante conocer las interacciones tanto físicas como biológicas e interpretarlas adecuadamente;
18. La ecotecnología requiere un enfoque holístico que integre todas las partes y procesos que interactúan en la medida de lo posible;
19. La información en los ecosistemas se almacena en estructuras.

Mitsch y Jorgensen identificaron las siguientes consideraciones antes de implementar un diseño de ingeniería ecológica:

• Crear un modelo conceptual para determinar las partes de la naturaleza conectadas al proyecto;
• Implementar un modelo informático para simular los impactos y la incertidumbre del proyecto;
• Optimizar el proyecto para reducir la incertidumbre y aumentar los impactos beneficiosos.

Currículum académico (colegios)

Se ha propuesto un plan de estudios académico para la ingeniería ecológica, e instituciones de todo el mundo están iniciando programas. Los elementos clave de este plan de estudios son: ingeniería ambiental; ecología de sistemas; ecología de la restauración; modelado ecológico; ecología cuantitativa; economía de la ingeniería ecológica y optativas técnicas.

Complementando este conjunto de cursos hay cursos de requisitos previos en áreas temáticas físicas, biológicas y químicas, y experiencias de diseño integrado. Según Matlock et al., el diseño debe identificar restricciones, caracterizar soluciones en tiempo ecológico e incorporar la economía ecológica en la evaluación del diseño. Se ha demostrado la economía de la ingeniería ecológica utilizando los principios energéticos para un humedal y utilizando la valoración de nutrientes para una granja lechera.

Literatura

• Howard T. Odum (1963), Actas de "El hombre y el ecosistema", Conferencia de Lockwood sobre el bosque suburbano y la ecología, en: Bulletin Connecticut Agric. estación _
• WJ Mitsch y SE Jørgensen (1989). Ingeniería ecológica: una introducción a la ecotecnología. Nueva York: John Wiley and Sons.
• WJ Mitsch (1993), Ingeniería ecológica: "un papel cooperativo con los sistemas planetarios de apoyo a la vida. Environmental Science & Technology 27:438-445.
• KR Barrett (1999). "Ingeniería ecológica en recursos hídricos: Los beneficios de colaborar con la naturaleza". Agua Internacional. 24: 182–188. doi:10.1080/02508069908692160.
• PC Kangas (2004). Ingeniería Ecológica: Principios y Práctica. Boca Ratón, Florida: Lewis Publishers, CRC Press. ISBN 978-1566705998.
• WJ Mitsch y SE Jørgensen (2004). Ingeniería Ecológica y Restauración de Ecosistemas. Nueva York: John Wiley and Sons. ISBN 978-0471332640.
• HD van Bohemen (2004), Ingeniería ecológica y obras de ingeniería civil, tesis doctoral TU Delft, Países Bajos.
• D. Masa; JL Chotte; E. Alcance (2015). "Ingeniería ecológica para la agricultura sostenible en regiones áridas y semiáridas de África occidental". Ficha temática del CSFD (11): 2.