Ingeniería ecológica

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 ]}

La ingeniería ecológica surgió como una idea novedosa a principios de la década de 1960, pero su definición tardó varias décadas en perfeccionarse. Su implementación aún se encuentra en proceso de ajuste, y su reconocimiento generalizado como nuevo paradigma es relativamente reciente. La ingeniería ecológica fue introducida por Howard Odum y otros ^{[ 2 ]} como una disciplina que utiliza fuentes de energía naturales como insumo predominante para manipular y controlar los sistemas ambientales. Los orígenes de la ingeniería ecológica se encuentran en el trabajo de Odum con modelos ecológicos 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 ^{[ 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 prueba ácida) de las teorías ecológicas; 3) se basa en enfoques de sistemas; 4) conserva las fuentes de energía no renovables ; y 5) apoya la conservación de los ecosistemas y la biología .

Mitsch y Jorgensen ^{[ 4 ]} 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 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, construcción, operación y gestión (es decir, la ingeniería) de estructuras paisajísticas/acuáticas y las comunidades vegetales y animales asociadas (es decir, los ecosistemas) para beneficio de la humanidad y, a menudo, de la naturaleza». Barrett continúa: «Otros términos con significados equivalentes o similares incluyen la ecotecnología y dos términos que se utilizan con mayor frecuencia en el campo del control de la erosión : la bioingeniería del suelo y la ingeniería biotécnica. Sin embargo, la ingeniería ecológica no debe confundirse con la " biotecnología " cuando se refiere a la ingeniería genética a nivel celular, ni con la " bioingeniería " cuando se refiere a la 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 (~uno 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 impactando la definición del campo, a medida que se exploran más oportunidades para diseñar y usar 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 tales 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 del paisaje , la planificación urbana y la horticultura urbana , ^{[ 8 ]} para abordar la salud humana y la biodiversidad, como 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.

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 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 rector que promueva la conservación biológica, beneficiando a la sociedad y a 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 energés) de Howard Odum es un ejemplo de este enfoque de ecología de sistemas. ^{[ 16 ]} Este desarrollo y simulación de modelos holísticos define el sistema de interés, identifica sus límites y diagrama cómo la energía y los materiales entran, se mueven dentro y salen del sistema para identificar cómo utilizar los recursos renovables a través de los procesos del ecosistema y aumentar la sostenibilidad. El sistema que describe es un conjunto (es decir, un grupo) de componentes (es decir, partes), conectados por algún tipo de interacción o interrelación, que responden colectivamente a algún estímulo o demanda y cumplen algún propósito o función específicos. Al comprender la ecología de sistemas, el ingeniero ecológico puede diseñar de manera más eficiente con los componentes y procesos del ecosistema 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/resolver el problema de la contaminación. Ejemplo: fitorremediación, humedal de aguas residuales y biorretención de aguas pluviales para filtrar el exceso de nutrientes y metales contaminantes.
2. Ecosistema imitado o copiado para abordar problemas de recursos. Ejemplo: restauración de bosques , reemplazo de humedales e instalación de jardines de lluvia en las calles para extender la cobertura del dosel y optimizar la refrigeración residencial y urbana.
3. Ecosistema recuperado tras una perturbación. Ejemplo: restauración de terrenos mineros, restauración de lagos y restauración de canales acuáticos con corredores ribereños maduros.
4. Ecosistema modificado de forma ecológicamente sostenible. Ejemplo: tala selectiva de árboles, 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. Por ejemplo: agroecosistemas sostenibles, acuicultura multiespecie 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 solo diseño:

1. La estructura y la función del ecosistema están determinadas por las funciones que fuerzan el sistema;
2. Los aportes de energía a los ecosistemas y la capacidad de almacenamiento del ecosistema son limitados;
3. Los ecosistemas son sistemas abiertos y disipativos (no se trata de un equilibrio termodinámico de energía, materia o entropía, sino de la aparición espontánea de una estructura compleja y caótica);
4. Prestar atención a un número limitado de factores rectores/de control es la estrategia más eficaz para prevenir la contaminación o restaurar los ecosistemas;
5. Los ecosistemas poseen cierta capacidad homeostática que da como resultado la atenuación y la supresión de los efectos de insumos altamente variables;
6. Adaptar las vías de reciclaje a las tasas de los ecosistemas y reducir los efectos de la contaminación;
7. Diseñar sistemas de pulsación 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 autoorganización de un ecosistema;
11. Los ecotonos, o zonas de transición, son tan importantes para los ecosistemas como las membranas para las células;
12. Siempre que sea posible, debe utilizarse el acoplamiento entre ecosistemas;
13. Los componentes de un ecosistema están interconectados, interrelacionados y forman una red; considérense tanto los esfuerzos directos como los indirectos para el 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 interactúan entre sí; es importante conocer ambas interacciones, tanto físicas como biológicas, e interpretarlas correctamente.
18. La ecotecnología requiere un enfoque holístico que integre, en la medida de lo posible, todas las partes y procesos que interactúan entre sí;
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:

• Crear un modelo conceptual para determinar las partes de la naturaleza conectadas con el 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 positivos.

La ingeniería ecológica está estrechamente relacionada con la ingeniería ambiental y la ingeniería civil . Las tres disciplinas se superponen ampliamente en el ámbito de la ingeniería de recursos hídricos, especialmente en el tratamiento y la gestión de aguas pluviales y residuales . Si bien las tres disciplinas de la ingeniería están estrechamente relacionadas entre sí, cada una cuenta con áreas de especialización bien definidas.

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 mediante el tratamiento y la gestión de los residuos.

En 2001 se propuso un plan de estudios académico para la ingeniería ecológica. ^{[ 15 ]} Los elementos clave del plan de estudios sugerido son: ingeniería ambiental ; ecología de sistemas ; ecología de la restauración ; modelado ecológico ; ecología cuantitativa; economía de la ingeniería ecológica y asignaturas optativas técnicas . ^{[ 17 ]} Complementando este conjunto de cursos, se incluyeron cursos prerrequisito en áreas temáticas físicas, biológicas y químicas, y experiencias de diseño integradas. Según Matlock et al., ^{[ 15 ]} el diseño debe identificar las limitaciones, caracterizar las 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, ^{[ 18 ]} y utilizando la valoración de nutrientes para una granja lechera. ^{[ 19 ]} Con estos principios en mente, el primer programa de Licenciatura en Ingeniería Ecológica del mundo se formalizó en 2009 en la Universidad Estatal de Oregón . ^{[ 20 ]}

En 2024, la Junta de Acreditación de Ingeniería y Tecnología de EE. UU. (ABET) publicó por primera vez los criterios para la acreditación de programas de Ingeniería Ecológica. ^{[ 21 ]} Para ser acreditados, los programas de Licenciatura en Ingeniería Ecológica deben incluir:

• matemáticas a través de ecuaciones diferenciales, probabilidad y estadística, física basada en cálculo y química de nivel universitario;
• Ciencias de la Tierra, mecánica de fluidos, hidráulica e hidrología.
• Ciencias biológicas y ecológicas avanzadas que se centran en sistemas autosostenibles de múltiples organismos a diversas escalas, ecología de sistemas, servicios ecosistémicos y modelización ecológica;
• balances de materia y energía; destino y transporte de sustancias en y entre el aire, el agua y el suelo; termodinámica de los sistemas vivos; y
• Aplicaciones de los principios ecológicos al diseño de ingeniería que incluyen consideraciones sobre el clima, la diversidad de especies, la autoorganización, la incertidumbre, la sostenibilidad, la resiliencia, las interacciones entre los sistemas ecológicos y sociales, y los impactos y beneficios a escala del sistema.

• Howard T. Odum (1963), "El hombre y el ecosistema", Actas de la Conferencia Lockwood sobre el bosque y la ecología suburbana, en: Boletín de la Estación Agrícola de Connecticut .
• 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 soporte vital ". Environmental Science & Technology 27:438-445.
• KR Barrett (1999). "Ingeniería ecológica en los recursos hídricos: los beneficios de colaborar con la naturaleza". Water International . 24 : 182–188 . doi : 10.1080/02508069908692160 .
• PC Kangas (2004). Ingeniería ecológica: principios y práctica . Boca Raton, 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 e ingeniería civil , tesis doctoral, TU Delft, Países Bajos.
• D. Masse; JL Chotte; E. Scopel (2015). "Ingeniería ecológica para la agricultura sostenible en regiones áridas y semiáridas de África Occidental" . Ficha temática del CSFD (11): 2. Archivado del original el 23 de abril de 2016. Consultado el 23 de marzo de 2019 .

• ¿Qué es la "ingeniería ecológica"? Texto web, Grupo de Ingeniería Ecológica, 2007.
• Sitio web de la Sociedad de Estudiantes de Ingeniería Ecológica (EESS, por sus siglas en inglés), Universidad Estatal de Oregón, 2011.
• Texto web sobre ingeniería ecológica, elaborado por Howard T. Odum, Centro de Humedales de la Universidad de Florida, 2007.