miniaturadaimagem| A restauração de rios para restaurar os serviços de ecossistema é uma aplicação comum da engenharia ecológica A engenharia ecológica usa a ecologia e a engenharia para prever, projetar, construir ou restaurar e gerenciar ecossistemas que integram "a sociedade humana com seu ambiente natural para o benefício de ambos".W.J. Mitsch & S.E. Jorgensen (1989), "Introduction to Ecological Engineering", Em: W.J. Mitsch e S.E. Jorgensen (Editores), Ecological Engineering: An Introduction to Ecotechnology. John Wiley & Sons, Nova York, pp. 3-12.
Origens, principais conceitos, definições e aplicações A engenharia ecológica surgiu como uma nova ideia no início dos anos 60, mas sua definição levou várias décadas para ser aperfeiçoada. Sua implementação ainda está passando por ajustes, e seu reconhecimento mais amplo como um novo paradigma é relativamente recente. A engenharia ecológica foi introduzida por Howard Odum e outrosH.T. Odum et al. (1963), Experiments with Engineering of Marine Ecosystems, em: Publication of the Institute of Marine Science of the University of Texas, 9: 374-403. como a utilização de fontes de energia naturais como o insumo predominante para manipular e controlar os sistemas ambientais. As origens da engenharia ecológica estão no trabalho de Odum com modelagem ecológica e simulação de ecossistemas para capturar macro-padrões holísticos de fluxos de energia e materiais que afetam o uso eficiente dos recursos.
Mitsch e JorgensenW.J. Mitsch e S.E. Jorgensen (2004), "Ecological Engineering and Ecosystem Restoration". John Wiley & Sons, Nova York resumiram cinco conceitos básicos que diferenciam a engenharia ecológica de outras abordagens para tratar de problemas em benefício da sociedade e da natureza: 1) baseia-se na capacidade de autoprojeto dos ecossistemas; 2) pode ser o teste de campo (ou ácido) de teorias ecológicas; 3) depende de abordagens sistêmicas; 4) conserva fontes de energia não renováveis; e 5) apoia a conservação biológica e do ecossistema.
Mitsch e JorgensenW.J. Mitsch e S.E. Jorgensen (1989), "Introduction to Ecological Engineering" em: W.J. Mitsch e S.E. Jorgensen (Editores), Ecological Engineering: An Introduction to Ecotechnology. John Wiley & Sons, Nova York, pp. 3-12. foram os primeiros a definir a engenharia ecológica como o projeto de serviços sociais que beneficiam a sociedade e a natureza e, posteriormente, observaramW.J. Mitsch (1993), "Ecological Engineering - A Cooperative Role with the Planetary Life Support Systems" em: Environmental Science & Technology, 27: 438-45.W.J. Mitsch (1996), "Ecological Engineering: a new paradigm for engineers and ecologists", em: P.C. Schulze (Editor), Engineering Within Ecological Constraints. National Academy Press, Washington, D.C., pp. 114-132.W.J. Mitsch & S.E. Jørgensen (2003), "Ecological engineering: A field whose time has come", em: Ecological Engineering, 20(5): 363-377. que o projeto deve ser baseado em sistemas, sustentável e integrar a sociedade com seu ambiente natural.
Bergen et al.S.D. Bergen et al. (2001), "Design Principles for Ecological Engineering", em: Ecological Engineering, 18: 201-210. definiram a engenharia ecológica como: 1) utilização da ciência e da teoria ecológicas; 2) aplicação a todos os tipos de ecossistemas; 3) adaptação de métodos de projeto de engenharia; e 4) reconhecimento de um sistema de valores orientadores.
Barrett (1999) oferece uma definição mais literal do termo: “o projeto, a construção, a operação e o gerenciamento (ou seja, a engenharia) de estruturas paisagísticas/aquáticas e comunidades de plantas e animais associadas (ou seja, ecossistemas) para beneficiar a humanidade e, muitas vezes, a natureza”. Barrett continua: “outros termos com significados equivalentes ou semelhantes incluem ecotecnologia e dois termos mais frequentemente usados no campo do controle de erosão: bioengenharia de solo e engenharia biotécnica. No entanto, a engenharia ecológica não deve ser confundida com 'biotecnologia' ao descrever engenharia genética no nível celular, ou 'bioengenharia', que significa a construção de partes artificiais do corpo.”
As aplicações em engenharia ecológica podem ser classificadas em três escalas espaciais: 1) mesocosmos (~0,1 a centenas de metros); 2) ecossistemas (~um a dezenas de km); e 3) sistemas regionais (> dezenas de km). A complexidade do projeto provavelmente aumenta com a escala espacial. As aplicações estão aumentando em amplitude e profundidade e, provavelmente, impactando a definição do campo, à medida que mais oportunidades de projetar e usar ecossistemas como interfaces entre a sociedade e a natureza são exploradas.Center for Wetlands, Ecological Engineering, webtexto 2007. A implementação da engenharia ecológica tem se concentrado na criação ou restauração de ecossistemas, desde zonas húmidas degradadas a tanques multicelulares e estufas que integram serviços microbianos, de peixes e de plantas para processar águas residuais humanas em produtos como fertilizantes, flores e água potável. As aplicações da engenharia ecológica nas cidades surgiram da colaboração com outros campos, como a arquitetura paisagística, o planeamento urbano e a horticultura urbana, para abordar a saúde humana e a biodiversidade, tal como visam os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável da ONU, com projetos holísticos como a gestão de águas pluviais. As aplicações da engenharia ecológica em paisagens rurais incluíram o tratamento de zonas úmidasA.M. Nahlik e W.J. Mitsch. (2006), "Tropical Treatment Wetlands Dominated by Free-Floating Macrophytes for Water Quality Improvement in Costa Rica", em: Ecological Engineering, 28: 246-257. e a reflorestação comunitária através do conhecimento ecológico tradicional.S.A.W. Diemont e outros (2006), "Lancandon Maya Forest Management: Restoration of Soil Fertility using Native Tree Species", em: Ecological Engineering, 28: 205-212. A permacultura é um exemplo de aplicações mais amplas que surgiram como disciplinas distintas da engenharia ecológica, em que David Holmgren cita a influência de Howard Odum no desenvolvimento da permacultura.
Diretrizes de design, classes funcionais e princípios de design O projeto de engenharia ecológica combinará a ecologia de sistemas com o processo de projeto de engenharia. O projeto de engenharia geralmente envolve a formulação do problema (objetivo), a análise do problema (restrições), a busca de soluções alternativas, a decisão entre as alternativas e a especificação de uma solução completa.E.V. Krik Uma estrutura de projeto temporal é fornecida por Matlock et al.,M.D. Matlock e outros (2001), "Ecological Engineering: A Rationale for Standardized Curriculum and Professional Certification in the United States", em: Ecological Engineering, 17: 403-409. afirmando que as soluções de projeto são consideradas no tempo ecológico. Na seleção entre alternativas, o projeto deve incorporar aeconomia ecológica na avaliação do projeto e reconhecer um sistema de valores orientadores que promova a conservação biológica, beneficiando a sociedade e a natureza.
A engenharia ecológica utiliza a ecologia de sistemas com o projeto de engenharia para obter uma visão holística das interações dentro e entre a sociedade e a natureza. A simulação de ecossistemas com a Linguagem de Sistemas de Energia (também conhecida como linguagem de circuito de energia ou energese) de Howard Odum é uma ilustração dessa abordagem de ecologia de sistemas.Brown, M.T. (2004) A picture is worth a thousand words: energy systems language and simulation. Ecological Modelling 178(1-2), 83-100. Esse desenvolvimento e simulação de modelo holístico define o sistema de interesse, identifica os limites do sistema e diagrama como a energia e o material entram, saem e entram em um sistema para identificar como usar recursos renováveis por meio de processos de ecossistema e aumentar a sustentabilidade. O sistema descrito é uma coleção (ou seja, um grupo) de componentes (ou seja, partes), conectados por algum tipo de interação ou inter-relação, que responde coletivamente a algum estímulo ou demanda e cumpre algum propósito ou função específica. Ao compreender a ecologia de sistemas, o engenheiro ecológico pode projetar com mais eficiência os componentes e processos do ecossistema dentro do projeto, utilizar energia e recursos renováveis e aumentar a sustentabilidade.
Mitsch e Jorgensen identificaram cinco Classes Funcionais para projetos de engenharia ecológica:
Ecossistema utilizado para reduzir/solucionar problemas de poluição. Exemplo: fitorremediação, pântano de águas residuais e biorretenção de águas pluviais para filtrar o excesso de nutrientes e a poluição por metais Ecossistema imitado ou copiado para resolver o problema do recurso. Exemplo: restauração florestal, substituição de áreas úmidas e instalação de jardins de chuva nas ruas para ampliar a cobertura do dossel e otimizar o resfriamento residencial e urbano Ecossistema recuperado após a perturbação. Exemplo: restauração de terras de mineração, restauração de lagos e restauração de canais aquáticos com corredores ripários maduros Ecossistema modificado de forma ecologicamente correta. Exemplo: colheita seletiva de madeira, biomanipulação e introdução de peixes predadores para reduzir os peixes planctívoros, aumentar o zooplâncton, consumir algas ou fitoplâncton e clarear a água. Ecossistemas usados para obter benefícios sem destruir o equilíbrio. Exemplo: agroecossistemas sustentáveis, aquicultura multiespecífica e introdução de parcelas agroflorestais em propriedades residenciais para gerar produção primária em vários níveis verticais.
Mitsch e Jorgensen identificaram 19 Princípios de Projeto para a engenharia ecológica, mas não se espera que todos contribuam para um único projeto:
A estrutura e a função do ecossistema são determinadas pelas funções forçantes do sistema; As entradas de energia nos ecossistemas e o armazenamento disponível do ecossistema são limitados; Os ecossistemas são sistemas abertos e dissipativos (não o equilíbrio termodinâmico de energia, matéria, entropia, mas o surgimento espontâneo de estruturas complexas e caóticas); A atenção a um número limitado de fatores de governança/controle é mais estratégica para prevenir a poluição ou restaurar os ecossistemas; O ecossistema tem alguma capacidade homeostática que resulta na suavização e na redução dos efeitos de entradas fortemente variáveis; Combinar os caminhos de reciclagem com as taxas dos ecossistemas e reduzir os efeitos da poluição; Projete para sistemas pulsantes sempre que possível; Ecossistemas são sistemas autoprojetados; Os processos dos ecossistemas têm escalas de tempo e espaço características que devem ser levadas em conta no gerenciamento ambiental; A biodiversidade deve ser defendida para manter a capacidade de autoprojeto de um ecossistema; Os ecótonos, zonas de transição, são tão importantes para os ecossistemas quanto as membranas para as células; O acoplamento entre ecossistemas deve ser utilizado sempre que possível; Os componentes de um ecossistema estão interconectados, inter-relacionados e formam uma rede; considere os esforços diretos e indiretos de desenvolvimento do ecossistema; Um ecossistema tem um histórico de desenvolvimento; Os ecossistemas e as espécies são mais vulneráveis em suas fronteiras geográficas; Os ecossistemas são sistemas hierárquicos e fazem parte de uma paisagem maior; Os processos físicos e biológicos são interativos, por isso é importante conhecer as interações físicas e biológicas e interpretá-las adequadamente; A tecnologia ecológica requer uma abordagem holística que integre todas as partes e processos que interagem entre si, na medida do possível; As informações nos ecossistemas são armazenadas em estruturas.
Mitsch e Jorgensen identificaram as seguintes considerações antes de implementar um projeto de engenharia ecológica: