Ingeniería ecológica - Enciclopedia

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 para el 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 tomado varias décadas para refinarse. Su implementación sigue ajustándose, y su reconocimiento más amplio como un nuevo paradigma es relativamente reciente. La ingeniería ecológica fue introducida por Howard Odum y otros como la utilización de fuentes de energía naturales como la entrada predominante para manipular y controlar los sistemas ambientales. Los orígenes de la ingeniería ecológica se encuentran en el trabajo de Odum con modelado ecológico y simulación de ecosistemas para capturar patrones macroscópicos 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 otras aproximaciones para abordar problemas que beneficien a la sociedad y a la naturaleza: 1) se basa en la capacidad de autodiseño de los ecosistemas; 2) puede ser un campo (o prueba) de prueba de teorías ecológicas; 3) se basa en enfoques sistémicos; 4) conserva fuentes de energía no renovables; y 5) apoya la conservación de ecosistemas y biológica.

Mitsch y Jorgensen fueron los primeros en definir la ingeniería ecológica como el diseño de servicios sociales de manera que beneficien a la sociedad y a la naturaleza, y más tarde destacaron que el diseño debe ser basado en sistemas, sostenible e integrar a la sociedad con su entorno natural.

Bergen et al. definieron la ingeniería ecológica como: 1) utilizar la ciencia y la teoría ecológica; 2) aplicar a todos los tipos de ecosistemas; 3) adaptar métodos de diseño de ingeniería; y 4) reconocer un sistema de valores guía.

Barrett (1999) ofrece una definición más literal del término: "el diseño, construcción, operación y gestión (es decir, ingeniería) de estructuras paisajísticas/aquáticas y las comunidades asociadas de plantas y animales (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 más comunes utilizados en el campo de la erosión: ingeniería bioquímica del suelo y ingeniería biotécnica. Sin embargo, la ingeniería ecológica no debe confundirse con 'biotecnología' al describir la ingeniería genética a nivel celular, o 'ingeniería' que significa la construcción de partes corporales artificiales".

Las aplicaciones en ingeniería ecológica pueden clasificarse en 3 escalas espaciales: 1) mesocosmos (aproximadamente 0,1 a cientos de metros); 2) ecosistemas (aproximadamente uno a decenas de km); y 3) sistemas regionales (más de decenas de km). La complejidad del diseño probablemente aumente con la escala espacial. Las aplicaciones están aumentando en amplitud y profundidad, y probablemente impactando la definición del campo, ya 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 tubos multicelulares y invernaderos que integran servicios microbianos, de peces y plantas para procesar aguas residuales humanas en productos como abonos, flores y agua potable. 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, para abordar la salud humana y la biodiversidad, según los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas, 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 mediante el conocimiento ecológico tradicional. La permacultura es un ejemplo de aplicaciones más amplias que han surgido como disciplinas distinctas 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 sistémica con el proceso de diseño de ingeniería. El diseño de ingeniería típicamente implica formulación de problemas (objetivo), análisis de problemas (límites), búsqueda de soluciones alternativas, decisión entre alternativas y especificación de una solución completa. Un marco de diseño temporal es proporcionado por Matlock et al., afirmando que las soluciones de diseño se consideran en el tiempo ecológico. En la selección 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 a la naturaleza.

La ingeniería ecológica utiliza la ecología sistémica 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 sistémica. Este desarrollo y simulación de modelo holístico define el sistema de interés, identifica el límite del sistema y diagrama cómo la energía y los materiales entran, se mueven dentro y salen de un sistema para identificar cómo utilizar recursos renovables a través de procesos ecológicos y aumentar la sostenibilidad. El sistema que describe es una colección (es decir, grupo) de componentes (es decir, partes), conectados por algún tipo de interacción o relación, que responden colectivamente a algún estímulo o demanda y cumplen con alguna función o propósito específico. Al entender la ecología sistémica, el ingeniero ecológico puede diseñar de manera más eficiente con componentes y procesos de ecosistemas dentro del diseño, utilizar energía y recursos renovables y aumentar la sostenibilidad.

Mitsch y Jorgensen identificaron cinco Clases Funcionales para el diseño de ingeniería ecológica:

Ecosistema utilizado para reducir/solucionar problemas de contaminación. Ejemplo: fytoremediación, humedales de aguas residuales y bioretención de aguas pluviales para filtrar nutrientes y contaminación metálica excesivos.
Ecosistema imitado o copiado para abordar problemas de recursos. Ejemplo: restauración de bosques, humedales de sustitución e instalación de jardines de agua de lado de la calle para extender la cubierta de copas para optimizar la refrigeración residencial y urbana.
Ecosistema recuperado después de una perturbación. Ejemplo: restauración de tierras de minas, restauración de lagos y restauración acuática de canales con corredores ribereños maduros.
Ecosistema modificado de manera ecológica. Ejemplo: cosecha selectiva de madera, biomanipulación e introducción de peces depredadores para reducir peces planctívoros, aumentar zooplancton, consumir algas o fitoplancton y aclarar el agua.
Ecosistemas utilizados para beneficiar sin destruir el equilibrio. Ejemplo: agroecosistemas sostenibles, acuicultura de varias especies 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, aunque no todos se esperan contribuir a un solo diseño:

La estructura y función del ecosistema son determinadas por las funciones forzadas del sistema;
Las entradas de energía a los ecosistemas y la储量 de almacenamiento del ecosistema son limitadas;
Los ecosistemas son sistemas abiertos y disipativos (no el equilibrio termodinámico de energía, materia, entropía, sino la aparición espontánea de estructuras complejas y caóticas);
La atención a un número limitado de factores reguladores/controles es la más estratégica en la prevención de la contaminación o la restauración de los ecosistemas;
Los ecosistemas tienen cierta capacidad homeostática que suaviza y disminuye los efectos de entradas fuertemente variables;
Coincidir las vías de reciclaje con las tasas de los ecosistemas y reducir los efectos de la contaminación;
Diseñar para sistemas pulsantes siempre que sea posible;
Los ecosistemas son sistemas de autodiseño;
Los procesos de los ecosistemas tienen escalas de tiempo y espacio características que deben tenerse en cuenta en la gestión ambiental;
La biodiversidad debe ser promovida para mantener la capacidad de autodiseño de un ecosistema;
Los ecotonos, zonas de transición, son tan importantes para los ecosistemas como las membranas para las células;
Utilizar la coupling entre los ecosistemas siempre que sea posible;
Los componentes de un ecosistema están interconectados, interrelacionados y forman una red; considere esfuerzos directos e indirectos de desarrollo ecológico;
Un ecosistema tiene un historial de desarrollo;
Los ecosistemas y las especies son más vulnerables en sus bordes geográficos;
Los ecosistemas son sistemas jerárquicos y son partes de un paisaje más amplio;
Los procesos físicos y biológicos son interactivos, es importante conocer ambas interacciones y interpretarlas adecuadamente;
La tecnología ecológica requiere un enfoque holístico que integre todas las partes y procesos interactuantes en la medida de lo posible;
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 por computadora para simular los impactos e incertidumbres del proyecto;
Optimizar el proyecto para reducir la incertidumbre y aumentar los impactos beneficiosos.

Relación con otras disciplinas de ingeniería
El campo de la Ingeniería Ecológica está estrechamente relacionado con las disciplinas de ingeniería ambiental y civil. Las tres se superponen en el área de ingeniería de recursos hídricos, especialmente el tratamiento y la gestión de aguas pluviales y de aguas residuales. Aunque las tres disciplinas de ingeniería están estrechamente relacionadas entre sí, hay áreas de especialización distinctas dentro de cada campo.

La ingeniería ecológica se centra principalmente en el entorno natural y la infraestructura natural, enfatizando la mediación de la relación entre personas y 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 corrientes de residuos.

Plan de estudios académico (colegios)
Se propuso un plan de estudios para la ingeniería ecológica en 2001. Los elementos clave del plan de estudios sugerido son: ingeniería ambiental; ecología sistémica; ecología de restauración; modelado ecológico; ecología cuantitativa; economía de la ingeniería ecológica, y electivos técnicos. Complementando este conjunto de cursos hay cursos prerequisitos en áreas físicas, biológicas y químicas, y experiencias de diseño integrado. Según Matlock et al., el diseño debe identificar los límites, caracterizar las soluciones en el tiempo ecológico y incorporar la economía ecológica en la evaluación del diseño. La economía de la ingeniería ecológica se ha demostrado utilizando principios energéticos para un humedal, y utilizando la valuación de nutrientes para una granja lechera. Con estos principios en mente, el primer programa de licenciatura en Ingeniería Ecológica se formalizó en 2009 en la Universidad Estatal de Oregón.

En 2024, el Consejo de Acreditación de Ingeniería y Tecnología de los Estados Unidos, Inc. (ABET) publicó criterios para la acreditación de programas de Ingeniería Ecológica por primera vez. Para ser acreditado, los programas de licenciatura en Ingeniería Ecológica deben incluir:

matemáticas a través de ecuaciones diferenciales, probabilidad y estadísticas, física basada en cálculo y química de nivel universitario;
ciencias de la tierra, mecánica de fluidos, hidráulica y hidrología.
ciencias biológicas y ecológicas avanzadas que se centran en sistemas autosostenibles de múltiples organismos en una variedad de escalas, ecología sistémica, servicios de ecosistema y modelado ecológico;
balances de materiales y energía; destino y transporte de sustancias en y entre aire, agua y suelo; termodinámica de sistemas vivos; y
aplicaciones de principios ecológicos al diseño de ingeniería que incluyen consideraciones de clima, diversidad de especies, autoorganización, incertidumbre, sostenibilidad, resiliencia, interacciones entre sistemas ecológicos y sociales, y impactos y beneficios a escala de sistema.

Ver también


Literatura
Howard T. Odum (1963), "Man and Ecosystem" Proceedings, Lockwood Conference on the Suburban Forest and Ecology, en: Bulletin Connecticut Agric. Station.
W.J. Mitsch and S.E. Jørgensen (1989). Ecological Engineering: An Introduction to Ecotechnology. New York: John Wiley and Sons.
W.J. Mitsch (1993), Ecological engineering—"a cooperative role with the planetary life–support systems. Environmental Science & Technology 27:438-445.
K. R. Barrett (1999). "Ecological engineering in water resources: The benefits of collaborating with nature". Water International. 24: 182–188. doi:10.1080/02508069908692160.
P.C. Kangas (2004). Ecological Engineering: Principles and Practice. Boca Raton, Florida: Lewis Publishers, CRC Press. ISBN 978-1566705998.
W.J. Mitsch and S.E. Jørgensen (2004). Ecological Engineering and Ecosystem Restoration. New York: John Wiley and Sons. ISBN 978-0471332640.
H.D. van Bohemen (2004), Ecological Engineering and Civil Engineering works, Doctoral thesis TU Delft, The Netherlands.
D. Masse; J.L. Chotte; E. Scopel (2015). "Ecological engineering for sustainable agriculture in arid and semiarid West African regions". Fiche thématique du CSFD (11): 2. Archived from the original on 2016-04-23. Retrieved 2019-03-23.


Referencias


Enlaces externos
¿Qué es la ingeniería ecológica? Texto web, Grupo de Ingeniería Ecológica, 2007.
Sitio web de la Sociedad Estudiantil de Ingeniería Ecológica, EESS, Universidad Estatal de Oregón, 2011.
Texto web de Ingeniería Ecológica por Howard T. Odum Centro de Humedales en la Universidad de Florida, 2007.


= Organizaciones =
Sociedad de Ingeniería Ecológica Americana, página principal.
Sitio web de la Sociedad Estudiantil de Ingeniería Ecológica, EESS, Universidad Estatal de Oregón, 2011.
Sociedad Americana de Ingenieros Profesionales de Humedales, página principal, wiki.
Grupo de Ingeniería Ecológica, página principal.
Sociedad Internacional de Ingeniería Ecológica, página principal.


= Revistas científicas =
Ingeniería Ecológica desde 1992, con una descripción general del campo.
Landscape and Ecological Engineering desde 2005.
Journal of Ecological Engineering Design lanzado oficialmente en 2021, esta revista ofrece un formato de acceso abierto diamante (gratis para el lector, gratis para los autores). Esta es la revista oficial de la Sociedad de Ingeniería Ecológica Americana con apoyo de producción de las Bibliotecas de la Universidad de Vermont.