Ingegneria ecologica - Ecological engineering

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L'ingegneria ecologica utilizza l' ecologia e l' ingegneria per prevedere, progettare, costruire o ripristinare e gestire ecosistemi che integrano " la società umana con il suo ambiente naturale a beneficio di entrambi".

Origini, concetti chiave, definizioni e applicazioni

L'ingegneria ecologica è emersa come una nuova idea nei primi anni '60, ma la sua definizione ha richiesto diversi decenni per essere perfezionata, la sua implementazione è ancora in fase di aggiustamento e il suo più ampio riconoscimento come nuovo paradigma è relativamente recente. L'ingegneria ecologica è stata introdotta da Howard Odum e altri come l'utilizzo di fonti di energia naturali come input predominante per manipolare e controllare i sistemi ambientali. Le origini dell'ingegneria ecologica sono nel lavoro di Odum con la modellazione ecologica e la simulazione dell'ecosistema per catturare macro-modelli olistici di flussi di energia e materiali che influenzano l'uso efficiente delle risorse.

Mitsch e Jorgensen hanno riassunto cinque concetti di base che differenziano l'ingegneria ecologica da altri approcci per affrontare i problemi a beneficio della società e della natura: 1) si basa sulla capacità di autoprogettazione degli ecosistemi ; 2) può essere la prova sul campo (o acido) delle teorie ecologiche; 3) si basa su approcci di sistema; 4) conserva le fonti energetiche non rinnovabili ; e 5) sostiene l'ecosistema e la conservazione biologica .

Mitsch e Jorgensen sono stati i primi a definire l'ingegneria ecologica come la progettazione di servizi sociali a beneficio della società e della natura, e in seguito hanno notato che il design dovrebbe essere basato su sistemi, sostenibile e integrare la società con il suo ambiente naturale.

Bergen et al. ha definito l'ingegneria ecologica come: 1) l'utilizzo della scienza e della teoria ecologica; 2) applicarsi a tutti i tipi di ecosistemi; 3) adattare i metodi di progettazione ingegneristica; e 4) riconoscere un sistema di valori guida.

Barrett (1999) offre una definizione più letterale del termine: "la progettazione, la costruzione, il funzionamento e la gestione (cioè l'ingegneria) delle strutture paesaggistiche/acquatiche e delle comunità vegetali e animali associate (cioè gli ecosistemi) a beneficio dell'umanità e, spesso, la natura." Continua Barrett: "altri termini con significati equivalenti o simili includono ecotecnologia e due termini più spesso utilizzati nel campo del controllo dell'erosione : bioingegneria del suolo e ingegneria biotecnica. Tuttavia, l'ingegneria ecologica non deve essere confusa con ' biotecnologia ' quando si descrive l'ingegneria genetica a livello cellulare. livello, o ' bioingegneria ' che significa costruzione di parti del corpo artificiali."

Le applicazioni nell'ingegneria ecologica possono essere classificate in 3 scale spaziali: 1) mesocosmi (~0.1 a centinaia di metri); 2) ecosistemi (~1 a 10s di km); e 3) sistemi regionali (>10s di km). La complessità del progetto probabilmente aumenta con la scala spaziale. Le applicazioni stanno aumentando in ampiezza e profondità e probabilmente incidono sulla definizione del campo, poiché vengono esplorate maggiori opportunità di progettare e utilizzare gli ecosistemi come interfacce tra la società e la natura. L'implementazione dell'ingegneria ecologica si è concentrata sulla creazione o il ripristino di ecosistemi, dalle zone umide degradate alle vasche multicellulari e alle serre che integrano servizi microbici, ittici e vegetali per trasformare le acque reflue umane in prodotti come fertilizzanti, fiori e acqua potabile . Le applicazioni dell'ingegneria ecologica nelle città sono emerse dalla collaborazione con altri campi come l' architettura del paesaggio , la pianificazione urbana e l'orticoltura urbana , per affrontare la salute umana e la biodiversità, come previsto dagli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite , con progetti olistici come la gestione delle acque piovane . Le applicazioni dell'ingegneria ecologica nei paesaggi rurali hanno incluso il trattamento delle zone umide e il rimboschimento della comunità attraverso la conoscenza ecologica tradizionale . La permacultura è un esempio di applicazioni più ampie che sono emerse come discipline distinte dall'ingegneria ecologica, dove David Holmgren cita l'influenza di Howard Odum nello sviluppo della permacultura.

Linee guida di progettazione, classi funzionali e principi di progettazione

La progettazione ingegneristica ecologica combinerà l' ecologia dei sistemi con il processo di progettazione ingegneristica . La progettazione ingegneristica in genere implica la formulazione del problema (obiettivo), l'analisi del problema (vincoli), la ricerca di soluzioni alternative, la decisione tra le alternative e la specifica di una soluzione completa. Un quadro temporale di progettazione è fornito da Matlock et al., affermando che le soluzioni progettuali sono considerate in tempo ecologico. Nella scelta tra le alternative, il progetto dovrebbe incorporare l'economia ecologica nella valutazione del progetto e riconoscere un sistema di valori guida che promuova la conservazione biologica, a beneficio della società e della natura.

L'ingegneria ecologica utilizza l' ecologia dei sistemi con la progettazione ingegneristica per ottenere una visione olistica delle interazioni all'interno e tra la società e la natura. La simulazione dell'ecosistema con Energy Systems Language (noto anche come linguaggio dei circuiti energetici o energese) di Howard Odum è un'illustrazione di questo approccio all'ecologia dei sistemi. Questo sviluppo e simulazione del modello olistico definisce il sistema di interesse, identifica il confine del sistema e illustra come l'energia e il materiale si muovono dentro, dentro e fuori da un sistema al fine di identificare come utilizzare le risorse rinnovabili attraverso i processi dell'ecosistema e aumentare la sostenibilità. Il sistema che descrive è un insieme (cioè un gruppo) di componenti (cioè parti), collegati da un qualche tipo di interazione o interrelazione, che risponde collettivamente a qualche stimolo o domanda e soddisfa uno scopo o una funzione specifica. Comprendendo l'ecologia dei sistemi, l'ingegnere ecologico può progettare in modo più efficiente con componenti e processi dell'ecosistema all'interno della progettazione, utilizzare energia e risorse rinnovabili e aumentare la sostenibilità.

Mitsch e Jorgensen hanno identificato cinque classi funzionali per i progetti di ingegneria ecologica:

  1. Ecosistema utilizzato per ridurre/risolvere il problema dell'inquinamento. Esempio: fitodepurazione, zona umida delle acque reflue e bioritenzione delle acque piovane per filtrare i nutrienti in eccesso e l'inquinamento da metalli
  2. Ecosistema imitato o copiato per affrontare il problema delle risorse. Esempio: ripristino della foresta, sostituzione di zone umide e installazione di giardini pluviali lungo la strada per estendere la copertura della tettoia per ottimizzare il raffreddamento residenziale e urbano
  3. Ecosistema recuperato dopo il disturbo. Esempio: ripristino di terreni minerari, ripristino di laghi e ripristino di canali acquatici con corridoi rivieraschi maturi
  4. Ecosistema modificato in modo ecologicamente corretto. Esempio: raccolta selettiva del legname, biomanipolazione e introduzione di pesci predatori per ridurre i pesci planctivori, aumentare lo zooplancton, consumare alghe o fitoplancton e chiarire l'acqua.
  5. Ecosistemi utilizzati a beneficio senza distruggere l'equilibrio. Esempio: agroecosistemi sostenibili, acquacoltura multispecie e introduzione di appezzamenti agroforestali in proprietà residenziali per generare produzione primaria a più livelli verticali.

Mitsch e Jorgensen hanno identificato 19 principi di progettazione per l'ingegneria ecologica, ma non tutti dovrebbero contribuire a un singolo progetto:

  1. La struttura e la funzione dell'ecosistema sono determinate forzando le funzioni del sistema;
  2. Gli apporti energetici agli ecosistemi e lo stoccaggio disponibile dell'ecosistema sono limitati;
  3. Gli ecosistemi sono sistemi aperti e dissipativi (non equilibrio termodinamico di energia, materia, entropia, ma comparsa spontanea di strutture complesse e caotiche);
  4. L'attenzione a un numero limitato di fattori di governo/controllo è più strategica per prevenire l'inquinamento o ripristinare gli ecosistemi;
  5. Gli ecosistemi hanno una certa capacità omeostatica che si traduce nell'appianare e deprimere gli effetti di input fortemente variabili;
  6. Abbinare i percorsi di riciclaggio ai tassi degli ecosistemi e ridurre gli effetti dell'inquinamento;
  7. Progettazione per sistemi pulsanti ove possibile;
  8. Gli ecosistemi sono sistemi che si autoprogettano;
  9. I processi degli ecosistemi hanno scale temporali e spaziali caratteristiche che dovrebbero essere prese in considerazione nella gestione ambientale;
  10. La biodiversità dovrebbe essere promossa per mantenere la capacità di autoprogettazione di un ecosistema;
  11. Gli ecotoni, le zone di transizione, sono importanti per gli ecosistemi quanto le membrane per le cellule;
  12. L'accoppiamento tra ecosistemi dovrebbe essere utilizzato ove possibile;
  13. I componenti di un ecosistema sono interconnessi, interconnessi e formano una rete; considerare gli sforzi diretti e indiretti di sviluppo dell'ecosistema;
  14. Un ecosistema ha una storia di sviluppo;
  15. Gli ecosistemi e le specie sono più vulnerabili ai loro margini geografici;
  16. Gli ecosistemi sono sistemi gerarchici e fanno parte di un paesaggio più ampio;
  17. I processi fisici e biologici sono interattivi, è importante conoscere le interazioni sia fisiche che biologiche e interpretarle correttamente;
  18. L'ecotecnologia richiede un approccio olistico che integri il più possibile tutte le parti ei processi interagenti;
  19. Le informazioni negli ecosistemi sono immagazzinate nelle strutture.

Mitsch e Jorgensen hanno identificato le seguenti considerazioni prima di implementare un progetto di ingegneria ecologica:

  • Creare un modello concettuale per determinare le parti della natura connesse al progetto;
  • Implementare un modello informatico per simulare gli impatti e l'incertezza del progetto;
  • Ottimizzare il progetto per ridurre l'incertezza e aumentare gli impatti benefici.

Curriculum accademico (collegi)

È stato proposto un curriculum accademico per l'ingegneria ecologica e le istituzioni di tutto il mondo stanno avviando programmi. Gli elementi chiave di questo curriculum sono: ingegneria ambientale ; ecologia dei sistemi ; ecologia del restauro ; modellistica ecologica ; ecologia quantitativa; economia dell'ingegneria ecologica e facoltativi tecnici .

A complemento di questa serie di corsi ci sono corsi di prerequisiti in aree disciplinari fisiche, biologiche e chimiche ed esperienze di progettazione integrata. Secondo Matlock et al., il progetto dovrebbe identificare i vincoli, caratterizzare le soluzioni nel tempo ecologico e incorporare l'economia ecologica nella valutazione del progetto. L'economia dell'ingegneria ecologica è stata dimostrata utilizzando principi energetici per una zona umida e utilizzando la valutazione dei nutrienti per un'azienda lattiero-casearia

Letteratura

  • Howard T. Odum (1963), "Man and Ecosystem" Proceedings, Lockwood Conference on the Suburban Forest and Ecology, in: Bulletin Connecticut Agric. Stazione .
  • WJ Mitsch e SE Jørgensen (1989). Ingegneria ecologica: un'introduzione all'ecotecnologia . New York: John Wiley e figli .
  • WJ Mitsch (1993), Ingegneria ecologica: "un ruolo cooperativo con i sistemi di supporto vitale planetari . Scienze e tecnologie ambientali 27:438-445.
  • KR Barrett (1999). "Ingegneria ecologica nelle risorse idriche: i vantaggi della collaborazione con la natura". Internazionale dell'acqua . 24 : 182-188. doi : 10.1080/02508069908692160 .
  • PC Kangas (2004). Ingegneria ecologica: principi e pratica . Boca Raton, Florida: editori di Lewis, CRC Press . ISBN 978-1566705998.
  • WJ Mitsch e SE Jørgensen (2004). Ingegneria ecologica e ripristino degli ecosistemi . New York: John Wiley e figli. ISBN 978-0471332640.
  • HD van Bohemen (2004), Ingegneria ecologica e opere di ingegneria civile , tesi di dottorato TU Delft, Paesi Bassi.
  • D. Massa; JL Chotte; E. Scopel (2015). "Ingegneria ecologica per l'agricoltura sostenibile nelle regioni aride e semiaride dell'Africa occidentale" . Scheda tematica del CSFD (11): 2.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno

Organizzazioni

Riviste scientifiche