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Ingeniería ecológica

Vías férreas cubiertas de césped

La ingeniería ecológica utiliza la ecología y la ingeniería para predecir, diseñar, construir o restaurar y gestionar ecosistemas que integren " la sociedad humana con su entorno natural para el beneficio de ambos". [1]

Orígenes, conceptos clave, definiciones y aplicaciones

La ingeniería ecológica surgió como una nueva idea a principios de los años 1960, pero su definición tardó varias décadas en perfeccionarse. Su implementación aún está en proceso de ajuste y su reconocimiento más amplio como un nuevo paradigma es relativamente reciente. La ingeniería ecológica fue introducida por Howard Odum y otros [2] como un método que utiliza fuentes de energía naturales 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 [3] 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 ácida) de las teorías ecológicas; 3) se basa en enfoques de sistemas; 4) conserva fuentes de energía no renovables ; y 5) apoya la conservación biológica y de los ecosistemas .

Mitsch y Jorgensen [4] fueron los primeros en definir la ingeniería ecológica como el diseño de servicios sociales que beneficien a la sociedad y a la naturaleza, y posteriormente señalaron [5] [6] [7] [3] que el diseño debe basarse en sistemas, ser sostenible e integrar a la sociedad con su entorno natural.

Bergen et al. [8] definieron la ingeniería ecológica como: 1) utilizar la ciencia y la teoría ecológicas; 2) aplicarla a todo tipo de ecosistemas; 3) adaptar los métodos de diseño de ingeniería; y 4) reconocer un sistema de valores rector.

Barrett (1999) [9] ofrece una definición más literal del término: "el diseño, la construcción, la operación y la gestión (es decir, la ingeniería) de estructuras acuáticas y paisajísticas y comunidades vegetales y animales asociadas (es decir, ecosistemas) para beneficiar a la humanidad y, a menudo, a 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, o " bioingeniería " que significa construcción de partes artificiales del cuerpo".

Las aplicaciones de la ingeniería ecológica se pueden clasificar en tres escalas espaciales: 1) mesocosmos (de ~0,1 a cientos de metros); 2) ecosistemas (de ~1 a decenas de km); y 3) sistemas regionales (>decenas de km). La complejidad del diseño probablemente aumenta con la escala espacial. Las aplicaciones están aumentando en amplitud y profundidad, y probablemente afectando la definición del campo, a medida que se exploran más oportunidades para diseñar y utilizar ecosistemas como interfaces entre la sociedad y la naturaleza. [10] 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 de plantas para procesar aguas residuales humanas en productos como fertilizantes, flores y agua potable . [11] Las aplicaciones de la ingeniería ecológica en las ciudades han surgido de la colaboración con otros campos como la arquitectura paisajística , la planificación urbana y la horticultura urbana , [8] para abordar la salud humana y la biodiversidad, como lo apuntan 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 [12] y la reforestación comunitaria a través del conocimiento ecológico tradicional . [13] 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.

Pautas 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 del problema (objetivo), el análisis del problema (restricciones), la búsqueda de soluciones alternativas, la decisión entre alternativas y la especificación de una solución completa. [14] Matlock et al. [15] 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 [15] y reconocer un sistema de valores rectores que promueva la conservación biológica, beneficiando a la sociedad y la naturaleza. [7] [8]

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 energéticos o energese) de Howard Odum es una ilustración de este enfoque de ecología de sistemas. [16] Este desarrollo y simulación de modelos holísticos define el sistema de interés, identifica el límite del sistema y diagrama cómo la energía y los materiales entran, salen y entran de un sistema para identificar cómo utilizar los recursos renovables a través de los procesos ecosistémicos 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 responde colectivamente a algún estímulo o demanda y cumple algún propósito o función específicos. Al comprender la ecología de sistemas, el ingeniero ecológico puede diseñar de manera más eficiente con componentes y procesos ecosistémicos dentro del diseño, utilizar energía y recursos renovables y aumentar la sostenibilidad.

Mitsch y Jorgensen [3] identificaron cinco clases funcionales para diseños de ingeniería ecológica:

  1. Ecosistema utilizado para reducir o solucionar problemas de contaminación. Ejemplo: fitorremediación, humedales para aguas residuales y biorretención de aguas pluviales para filtrar el exceso de nutrientes y contaminación por metales.
  2. Ecosistema imitado o copiado para abordar problemas de recursos. Ejemplo: restauración forestal , reemplazo de humedales e instalación de jardines de lluvia en las calles para extender la cubierta forestal y optimizar la refrigeración residencial y urbana.
  3. Ecosistema recuperado después de una perturbación. Ejemplo: restauración de terrenos mineros, restauración de lagos y restauración de canales acuáticos con corredores ribereños maduros
  4. Ecosistema modificado de manera ecológicamente racional. Por ejemplo: tala 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 obtener beneficios sin destruir el equilibrio. Por ejemplo, agroecosistemas sostenibles, acuicultura multiespecífica e introducción de parcelas agroforestales en propiedades residenciales para generar producción primaria en múltiples niveles verticales.

Mitsch y Jorgensen [3] identificaron 19 principios de diseño para la ingeniería ecológica, aunque no se espera que todos contribuyan a un único diseño:

  1. La estructura y función del ecosistema están determinadas por las funciones impulsoras del sistema;
  2. Los aportes de energía a los ecosistemas y el almacenamiento disponible en los mismos son limitados;
  3. Los ecosistemas son sistemas abiertos y disipativos (no hay equilibrio termodinámico de energía, materia y entropía, sino aparición espontánea de una estructura compleja y caótica);
  4. La atención a un número limitado de factores rectores y de control es lo más estratégico para prevenir la contaminación o restaurar los ecosistemas;
  5. Los ecosistemas tienen cierta capacidad homeostática que resulta en suavizar y deprimir los efectos de entradas fuertemente variables;
  6. Adaptar las vías de reciclaje a las tasas de los ecosistemas y reducir los efectos de la contaminación;
  7. Diseñar sistemas pulsantes siempre que sea posible;
  8. Los ecosistemas son sistemas que se diseñan a sí mismos;
  9. Los procesos de los ecosistemas tienen escalas temporales y espaciales características que deben tenerse en cuenta en la gestión ambiental;
  10. Se debe promover la biodiversidad para mantener la capacidad de autodiseño de un ecosistema;
  11. Los ecotonos, zonas de transición, son tan importantes para los ecosistemas como las membranas para las células;
  12. Siempre que sea posible se debe aprovechar el acoplamiento entre ecosistemas;
  13. Los componentes de un ecosistema están interconectados, interrelacionados y forman una red; considere los esfuerzos directos e indirectos del desarrollo del ecosistema;
  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 tanto las interacciones físicas como las 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 [3] identificaron las siguientes consideraciones antes de implementar un diseño de ingeniería ecológica:

Currículo académico (universidades)

Se ha propuesto un plan de estudios académico para la ingeniería ecológica, [15] y las instituciones de todo el mundo están iniciando programas. Los elementos clave de este plan de estudios son: ingeniería ambiental ; ecología de sistemas ; ecología de restauración ; modelado ecológico ; ecología cuantitativa; economía de la ingeniería ecológica y asignaturas técnicas optativas . [17] El primer programa de licenciatura en ingeniería ecológica del mundo se formalizó en 2009 en la Universidad Estatal de Oregón . [18]

Como complemento a este conjunto de cursos se incluyen cursos de prerrequisitos en áreas temáticas físicas, biológicas y químicas, y experiencias de diseño integrado. Según Matlock et al., [15] el diseño debe identificar restricciones, caracterizar soluciones en tiempo ecológico e incorporar la economía ecológica en la evaluación del diseño. La economía de la ingeniería ecológica se ha demostrado utilizando principios energéticos para un humedal, [19] y utilizando la valoración de nutrientes para una granja lechera [20].

Relación con otras disciplinas de ingeniería

El campo de la ingeniería ecológica está estrechamente relacionado con los campos de la ingeniería ambiental y la ingeniería civil . Los tres se superponen ampliamente en el área de la ingeniería de recursos hídricos, en particular la gestión de aguas pluviales y residuales. Si bien las tres disciplinas de la ingeniería están estrechamente relacionadas entre sí, existen áreas de especialización distintas dentro de cada campo.

La ingeniería ecológica se centra principalmente en el medio ambiente natural y la infraestructura natural, haciendo hincapié en la mediación de la relación entre las personas y el planeta. En disciplinas complementarias, la ingeniería civil se centra principalmente en la infraestructura construida y las obras públicas, mientras que la ingeniería ambiental se centra en la protección de la salud pública y ambiental a través del tratamiento y la gestión de los flujos de residuos.

Relación entre la ingeniería ecológica, ambiental y civil.

Véase también

Literatura

Referencias

  1. ^ WJ Mitsch y SE Jorgensen (1989), "Introducción a la ingeniería ecológica", en: WJ Mitsch y SE Jorgensen (editores), Ingeniería ecológica: Introducción a la ecotecnología . John Wiley & Sons, Nueva York, págs. 3-12.
  2. ^ HT Odum et al. (1963), Experimentos con ingeniería de ecosistemas marinos , en: Publicación del Instituto de Ciencias Marinas de la Universidad de Texas , 9: 374-403.
  3. ^ abcde WJ Mitsch y SE Jorgensen (2004), "Ingeniería ecológica y restauración de ecosistemas". John Wiley & Sons, Nueva York
  4. ^ WJ Mitsch y SE Jorgensen (1989), "Introducción a la ingeniería ecológica" En: WJ Mitsch y SE Jorgensen (Editores), Ingeniería ecológica: Introducción a la ecotecnología . John Wiley & Sons, Nueva York, págs. 3-12.
  5. ^ WJ Mitsch (1993), "Ingeniería ecológica: un papel cooperativo con los sistemas de soporte de vida planetaria" en: Environmental Science & Technology , 27: 438-45.
  6. ^ WJ Mitsch (1996), "Ingeniería ecológica: un nuevo paradigma para ingenieros y ecologistas", en: PC Schulze (Editor), Ingeniería dentro de restricciones ecológicas . National Academy Press, Washington, DC, págs. 114-132.
  7. ^ ab WJ Mitsch & SE Jørgensen (2003), "Ingeniería ecológica: un campo cuyo momento ha llegado", en: Ecological Engineering , 20(5): 363-377.
  8. ^ abc SD Bergen et al. (2001), "Principios de diseño para ingeniería ecológica", en: Ingeniería ecológica , 18: 201-210.
  9. ^ KR Barrett (1999). "Ingeniería ecológica en recursos hídricos: los beneficios de colaborar con la naturaleza". Water International . 24 : 182–188. doi :10.1080/02508069908692160.
  10. ^ Centro de Humedales, Ingeniería Ecológica , webtext 2007.
  11. ^ NJ Todd y J. Todd (1994). De las ecociudades a las máquinas vivientes: principios del diseño ecológico . Berkeley: North Atlantic Books. ISBN 978-1556431500.
  12. ^ AM Nahlik y WJ Mitsch. (2006), "Humedales de tratamiento tropical dominados por macrófitos flotantes libres para mejorar la calidad del agua en Costa Rica", en: Ingeniería Ecológica , 28: 246-257.
  13. ^ SAW Diemont y otros (2006), "Manejo del Bosque Maya Lancandon: Restauración de la Fertilidad del Suelo utilizando Especies Arbóreas Nativas", en: Ecological Engineering , 28: 205-212.
  14. ^ EV Krik
  15. ^ abcd MD Matlock y otros (2001), "Ingeniería ecológica: una justificación para el currículo estandarizado y la certificación profesional en los Estados Unidos", en: Ingeniería ecológica , 17: 403-409.
  16. ^ Brown, MT (2004) Una imagen vale más que mil palabras: lenguaje y simulación de sistemas energéticos. Ecological Modelling 178(1-2), 83-100.
  17. ^ Diemont, SW, TJ Lawrence y TA Endreny. "Visualización de la educación en ingeniería ecológica: una encuesta internacional de la comunidad educativa y profesional", Ingeniería ecológica, 36(4): 570-578, 2010. DOI: 10.1016/j.ecoleng.2009.12.004
  18. ^ "OSU lanza la primera carrera de ingeniería ecológica en EE. UU." La vida en OSU . 2009-07-06 . Consultado el 2023-04-27 .
  19. ^ S. Ton, HT Odum y JJ Delfino (1998), "Evaluación económica ecológica de alternativas de gestión de humedales", en: Ingeniería Ecológica , 11: 291-302.
  20. ^ C. Pizarro y otros, Una evaluación económica de la tecnología de depuración de césped de algas para el tratamiento de efluentes de estiércol lechero. Ingeniería ecológica, 26(12): 321-327.

Enlaces externos

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