Engenharia ecológica

A engenharia ecológica usa ecologia e engenharia para prever, projetar, construir ou restaurar e gerenciar ecossistemas que integram “a sociedade humana com seu ambiente natural para o benefício de ambos”.

Definição
A engenharia ecológica é definida na França como a “conduta de projetos que, em sua implementação e monitoramento, aplica os princípios da engenharia ecológica e promove a resiliência dos ecossistemas”, sendo a engenharia ecológica definida como “uma combinação de conhecimento científico, técnicas e práticas”. que levem em conta os mecanismos ecológicos, aplicados à gestão de recursos, à concepção e implementação de instalações ou equipamentos, e que sejam apropriados para assegurar a proteção do meio ambiente. ”

Nos países anglo-saxões, é “a concepção, a realização e a implementação de projetos que associam a natureza em benefício da biodiversidade e da sociedade humana”.

No mundo de língua espanhola, o conceito que mais se aproxima é o de “engenharia ambiental”, que é definido como “o projeto, aplicação e gerenciamento de processos, produtos e serviços para prevenir, limitar ou reparar a degradação do meio ambiente com vista a um desenvolvimento sustentável “.

Origens, principais conceitos, definições e aplicativos
A engenharia ecológica surgiu como uma nova ideia no início dos anos 1960, mas sua definição levou várias décadas para ser aperfeiçoada, sua implementação ainda está sendo ajustada e seu reconhecimento mais amplo como um novo paradigma é relativamente recente. A engenharia ecológica foi introduzida por Howard Odum e outros como utilizando fontes de energia naturais como a entrada 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 energia e fluxos de materiais que afetam o uso eficiente dos recursos.

Mitsch e Jorgensen resumiram cinco conceitos básicos que diferenciam a engenharia ecológica de outras abordagens para abordar os problemas em benefício da sociedade e da natureza: 1) baseia-se na capacidade de autodesenvolvimento dos ecossistemas; 2) pode ser o teste de campo (ou ácido) de teorias ecológicas; 3) depende de abordagens do sistema; 4) conserva fontes de energia não renováveis; e 5) suporta ecossistemas e conservação biológica.

Mitsch e Jorgensen foram os primeiros a definir engenharia ecológica como projetar serviços sociais de tal forma que beneficiem a sociedade e a natureza, e mais tarde notaram que o projeto deveria ser baseado em sistemas, sustentável e integrar a sociedade com seu ambiente natural.

Bergen et al. engenharia ecológica definida como: 1) utilizando ciência e teoria ecológicas; 2) aplicando-se a todos os tipos de ecossistemas; 3) adaptar métodos de projeto de engenharia; e 4) reconhecer um sistema de valores orientadores.

Barrett (1999) oferece uma definição mais literal do termo: “o projeto, construção, operação e gerenciamento (isto é, engenharia) de estruturas paisagísticas / aquáticas e comunidades vegetais e animais associadas (isto é, ecossistemas) para beneficiar a humanidade e, muitas vezes, natureza “. Barrett continua: “outros termos com significados equivalentes ou similares incluem ecotecnologia e dois termos mais usados ​​no campo de controle de erosão: bioengenharia de solos e engenharia biotecnológica. No entanto, engenharia ecológica não deve ser confundida com ‘biotecnologia’ quando se descreve engenharia genética no nível, ou “bioengenharia”, que significa construção de partes do corpo artificial “.

As aplicações em engenharia ecológica podem ser classificadas em 3 escalas espaciais: 1: mesocosmos (~ 0,1 a 100s de metros); 2: ecossistemas (1 a 10s de km); e 3: sistemas regionais (> 10s de km). A complexidade do design 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 para projetar e usar ecossistemas como interfaces entre sociedade e natureza são exploradas. A implementação da engenharia ecológica se concentrou na criação ou restauração de ecossistemas, de áreas úmidas degradadas a banheiras multicelulares e estufas que integram serviços de microbiologia, peixes e usinas 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 arquitetura de paisagem, planejamento urbano e horticultura urbana, para abordar a saúde humana e a biodiversidade, como alvos dos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável da ONU, com projetos holísticos como manejo de águas pluviais. Aplicações de engenharia ecológica em paisagens rurais incluíram tratamento de zonas húmidas e reflorestamento comunitário através do conhecimento ecológico tradicional. A permacultura é um exemplo de aplicações mais amplas que emergiram como disciplinas distintas da engenharia ecológica, onde 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 normalmente envolve a formulação de problemas (meta), análise de problemas (restrições), busca de soluções alternativas, decisão entre alternativas e especificação de uma solução completa. Uma estrutura de projeto temporal é fornecida por Matlock et al., Afirmando que as soluções de projeto são consideradas no tempo ecológico. Na seleção entre alternativas, o projeto deve incorporar a economia 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 design de engenharia para obter uma visão holística das interações dentro e entre a sociedade e a natureza. Simulação de ecossistema com Energy Systems Language (também conhecida como linguagem de circuito de energia ou energese) por Howard Odum é uma ilustração dessa abordagem de ecologia de sistemas. Esse modelo holístico de desenvolvimento e simulação define o sistema de interesse, identifica o limite do sistema e diagrava como a energia e o material entram, entram e saem de um sistema para identificar como usar recursos renováveis ​​por meio de processos ecossistêmicos e aumentar a sustentabilidade. O sistema que descreve é ​​uma coleção (isto é, grupo) de componentes (isto é, partes), conectados por algum tipo de interação ou inter-relação, que coletivamente responde a algum estímulo ou demanda e cumpre algum propósito ou função específica. Compreendendo 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 / resolver o problema da poluição. Exemplo: fitorremediação, terras úmidas de águas residuais e biorretenção de águas pluviais para filtrar o excesso de nutrientes e poluição de metais
Ecossistema imitado ou copiado para resolver o problema de recursos. Exemplo: restauração florestal, áreas úmidas de substituição e instalação de jardins de chuva no lado da rua para estender a cobertura do dossel para otimizar o resfriamento residencial e urbano
Ecossistema recuperado após perturbação. Exemplo: restauração de terras mineiras, restauração de lagos e restauração aquática de canais com corredores ribeirinhos maduros
Ecossistema modificado de maneira ecologicamente correta. Exemplo: colheita seletiva de madeira, biomanipulação e introdução de peixes predadores para reduzir peixes planctívoros, aumentar o zooplâncton, consumir algas ou fitoplâncton e clarificar a água.
Ecossistemas utilizados para benefício sem destruir o equilíbrio. Exemplo: agroecossistemas sustentáveis, aquicultura multiespecífica e introdução de parcelas agroflorestais em propriedades residenciais para gerar produção primária em múltiplos níveis verticais.

Mitsch e Jorgensen identificaram os Princípios de Design para a engenharia ecológica, mas nem todos devem contribuir para um único projeto:

A estrutura e a função do ecossistema são determinadas forçando funções do sistema;
Insumos de energia para os ecossistemas e armazenamento disponível do ecossistema é limitado;
Os ecossistemas são sistemas abertos e dissipativos (não equilíbrio termodinâmico de energia, matéria, entropia, mas aparência espontânea de estrutura complexa e caótica);
A atenção a um número limitado de fatores de controle / governança é mais estratégica na prevenção da poluição ou na restauração de ecossistemas;
O ecossistema tem alguma capacidade homeostática que resulta em suavizar e deprimir os efeitos de insumos fortemente variáveis;
Combinar vias de reciclagem com as taxas dos ecossistemas e reduzir os efeitos da poluição;
Projetar sistemas pulsantes sempre que possível;
Os ecossistemas são sistemas de autodesenvolvimento;
Processos de ecossistemas têm escalas de tempo e espaço características que devem ser consideradas na gestão ambiental;
A biodiversidade deve ser defendida para manter a capacidade de autodesenvolvimento de um ecossistema;
Os ecótonos, zonas de transição, são tão importantes para os ecossistemas quanto as membranas das células;
O acoplamento entre os ecossistemas deve ser utilizado sempre que possível;
Os componentes de um ecossistema estão interconectados, inter-relacionados e formam uma rede; considerar os esforços diretos e indiretos do desenvolvimento do ecossistema;
Um ecossistema tem uma história de desenvolvimento;
Os ecossistemas e espécies são mais vulneráveis ​​em suas bordas geográficas;
Os ecossistemas são sistemas hierárquicos e fazem parte de uma paisagem maior;
Os processos físicos e biológicos são interativos, é importante conhecer interações físicas e biológicas e interpretá-las adequadamente;
A eco-tecnologia requer uma abordagem holística que integre todas as partes e processos de interação tanto quanto possível;
A informação nos ecossistemas é armazenada em estruturas.

Uma nova carreira
A engenharia ecológica é um novo comércio que se desenvolve a partir do final do século XX. Ela implementa as técnicas de engenharia ecológica cujos princípios são assim definidos pelo CNRS: “Engenharia ecológica é o uso, principalmente in situ, às vezes sob condições controladas, de populações, comunidades ou comunidades. Ecossistemas com o objetivo de modificar um ou mais bióticos ou dinâmica físico-química do ambiente, em um sentido considerado favorável à sociedade e compatível com a manutenção dos equilíbrios ecológicos e o potencial adaptativo do meio ambiente “. O objetivo da engenharia ecológica é, portanto, contribuir com ações adaptadas à resiliência do ecossistema e, assim, promover a biodiversidade.

Se o mundo da pesquisa desempenha um papel importante ao fornecer novos conhecimentos fundamentais, os operadores de engenharia ecológica também recorrem a práticas antigas e desenvolvem inovações baseadas na observação de mecanismos vivos. Assim, Leonardo da Vinci escreveu: “As raízes dos salgueiros impedem o colapso dos aterros dos canais e ramos de salgueiro, que são colocados no banco e, em seguida, cortar, tornam-se cada ano denso e assim conseguimos um banco vivo de um único Essas técnicas foram há muito negligenciadas em favor de sistemas de proteção pesada que usam engenharia civil.Esses ambientes, às vezes mais eficazes, são dotados de uma capacidade de auto-manutenção e resiliência, embora exigindo, de acordo com as situações, uma gestão regular.

Uma atividade transversal
Os atores do trabalho de engenharia ecológica para a biodiversidade são “artesãos da biodiversidade”. Eles trazem seus conhecimentos, técnicas e ferramentas para reconstruir ecossistemas vivos. A implementação de projetos de engenharia ecológica envolve muitas habilidades; consulta com atores econômicos e sociais no monitoramento ecológico do projeto através de sua concepção e implementação. Uma operação clássica começa com atividades de consultoria e apoio estratégico, seguidas de etapas de estudos diagnósticos, definição de ações, trabalhos, monitoramento, gestão e, finalmente, valorização da abordagem por meio da comunicação. Essas atividades envolvem naturalistas, assessores de biodiversidade, trabalhadores especializados e técnicos em torno do pivô do engenheiro ecológico.

A engenharia ecológica considera todas as dimensões do ecossistema: flora, fauna, fungos, bacteriológicos, pedológicos, biogeoquímicos, processos geológicos e também sociedades humanas. Para atuar em todos esses processos vivos, o engenheiro ecologista usa uma variedade de técnicas. Por exemplo, usará engenharia de planta, às vezes chamada de engenharia de bioengenharia ou biológica, e muitas outras técnicas que podem substituir com vantagem as técnicas convencionais.

Mas além da simples ação sobre a biodiversidade e a proteção do patrimônio natural, a engenharia ecológica visa conciliar economia e ecologia. De fato, como seu objetivo é promover a resiliência do ecossistema, a engenharia ecológica deve levar em conta as atividades humanas presentes, parte integrante do ecossistema. A atividade do setor está, portanto, no centro das inter-relações entre a humanidade e a biodiversidade, e se desenvolve em relação a todos os setores econômicos. A atividade de engenharia ecológica deve então acompanhar os profissionais de planejamento, agricultura e até mesmo indústria, imóveis e planejamento urbano para trabalhar na compatibilidade entre atividades humanas e sistemas vivos.

Assim, o sucesso de um projeto de engenharia ecológica é medido por dois critérios: a aceitação social e o envolvimento de residentes e usuários no projeto e por uma avaliação científica. Este último é feito com base no monitoramento de indicadores, incluindo bioindicadores, que variam de acordo com o contexto biogeográfico, a superfície do local e o objetivo das operações. Os ecologistas dependem principalmente de algumas espécies consideradas bioindicadoras para avaliar e, se necessário, corrigir as operações.

Técnicas e Aplicações
Técnicas de engenharia ecológica podem ser implementadas em conexão com todos os tipos de atividades humanas, desde que tenham impacto sobre o ecossistema e seu funcionamento, que é muito amplo: gerenciamento de áreas naturais, planejamento espacial, planejamento urbano, agricultura, atividade econômica. Dependendo do objetivo, as intervenções podem ser divididas em quatro: gerenciamento, restauração, criação ou integração de atividades no ecossistema. Esta distribuição não é exclusiva, mas permite uma visão geral das muitas aplicações da engenharia ecológica.

Gestão ambiental
Os gerentes ambientais usam a engenharia ecológica quando seu objetivo é aumentar a biodiversidade, estabilizá-la ou deter seu declínio. De fato, alguns processos naturais estão agora extintos e somente a intervenção humana pode preencher essa lacuna e impedir o desaparecimento de certos círculos de certas espécies. De ambientes naturais a áreas urbanas e áreas agrícolas, o engenheiro ecológico recomendará, em conexão com os usos, as intervenções a serem feitas para promover a biodiversidade. aqui estão alguns exemplos:

manutenção em estado aberto por trituração, corte ou corte, dependendo das comunidades vegetais presentes;
gestão diferenciada para diversificar ambientes ou conservar a diversidade existente;
ordem de faucardagem, por exemplo, para limitar a proliferação de espécies exóticas ou reduzir a eutrofização de uma terra húmida;
pastoreio ecológico, para preservar a abertura do ambiente a longo prazo graças a herbívoros como equinos, ovelhas ou gado, ou castor ou alce que podem ser usados ​​no caso de ambientes prairiais ou húmidos.
Para os três primeiros pontos, a gestão dos remanescentes é decisiva. Se estes são exportados, o meio ambiente está esgotado em matéria orgânica, o que em alguns casos favorece o enriquecimento da biodiversidade.

Agroecologia
O engenheiro ecologista também está envolvido em áreas agrícolas. Pode então propor uma nova gestão da fazenda melhor adaptada ao funcionamento do ecossistema. É inspirado neste caso de técnicas de permacultura.

O agricultor pode promover a biodiversidade para ajudar a produtividade do agrossistema e garantir a sua estabilidade ao longo do tempo em face de perturbações externas. Diferentes processos biológicos ou ecológicos ligados à biodiversidade podem ser intensificados: aumentando a diversidade e a atividade dos microrganismos do solo em favor das plantas, associando e colaborando várias espécies, usando diferentes famílias e camadas de vegetação, regulando ecologicamente as pragas de culturas através de seus inimigos naturais. Ele também pode atuar nos ciclos de matéria orgânica e nutrientes para melhorar a produtividade de insumos de baixo insumo. Graças ao bom manejo dos recursos orgânicos e, portanto, ao fluxo de nutrientes e energia que eles induzem. É então possível intervir em vários níveis: reforçar as interações da pecuária e da agricultura para preservar os recursos naturais, para restaurar a vida biológica dos solos por meio de insumos orgânicos específicos, para alimentar a planta localmente.

Finalmente, a gestão da água é um fator determinante, especialmente em áreas secas, onde o recurso é limitado e irregular. A gestão pode ser melhorada de várias maneiras: adaptando a cultura a chuvas irregulares ou riscos de seca, conservando a água no nível da parcela limitando o escoamento, levando em conta o papel essencial desempenhado pelas árvores no solo e a água em áreas secas …

Restauração do Ecossistema ou Recursos Ecológicos
A última Conferência Mundial sobre Biodiversidade, realizada em Nagoya em 2010, registrou que era necessário, em 2020, restaurar pelo menos 15% dos ecossistemas degradados, além das políticas de retenção (15ª meta de Aichi). A engenharia ecológica aproveita a resiliência ecológica dos ecossistemas para restaurar ambientes ecológicos e recursos:

terraplanagem, importação de materiais (rochas, areias) para a restauração de ambientes, solos, riachos;
uso de características morfológicas das plantas para restaurar naturalmente os ambientes erodidos e / ou proteger-se de perigos naturais, plantando espécies com extensos sistemas radiculares para a restauração sustentável de solos degradados, estabilização de encostas, bancos, dunas ou litorais;
métodos de despoluição por plantas ou por bactérias, por exemplo para o tratamento de materiais de minas com metais pesados ​​(bactérias quimilitotróficas), derrames de petróleo (bactérias organotróficas), purificação de água ou degradação de resíduos;
abertura do meio ambiente, desenraizando ou derrubando a diversificação de habitats;
Manejo do solo: extração (étrépage) para promover a biodiversidade, recuperação do solo por movimentação de minerais, biomassa e serapilheira, reabilitação Technosol;
transferência de espécies ou habitats para restaurar as condições mínimas de resiliência ambiental: repovoamento, repovoamento, restauração de tapetes de ervas marinhas de fanerogâmicas no ambiente marinho, estabilização de lodaçais por um leito de mexilhões, etc.

Criando um ecossistema funcional
A criação de um ecossistema ocorre quando o ambiente é degradado demais para ser restaurado ou quando a diversificação de habitats é considerada necessária pelo engenheiro ecológico em coerência com o contexto social, econômico e ambiental local. Isto pode envolver na área terrestre a criação de um ambiente completo, como zonas tampão para purificação de água, lagoas, encostas, sebes, etc. ou a criação de elementos de habitat para animais: hibernaculum, ninhos, casa de insetos, casas de campo. No ambiente marinho, o engenheiro ecologista pode solicitar o estabelecimento de habitats na área portuária debaixo de água ou em zona intertidal, em um porto, dique ou outros dispositivos de proteção costeiros, por exemplo incorporando espécies de filtro (mexilhões, ostras).

Integrando a atividade humana no ecossistema
As técnicas de gestão, restauração e criação de ambientes naturais são utilizadas para a integração ecológica de instalações e infraestruturas. A engenharia ecológica, em seguida, estabelece instalações urbanas, agrícolas, hidráulicas ou florestais integradas ao ecossistema, onde o civil anteriormente utilizava mais prontamente o concreto ou a estaca-prancha. A engenharia ecológica propõe soluções inspiradas na natureza e permite aumentar a permeabilidade ecológica das estruturas e reduzir a pegada ecológica, limitando severamente as taxas sobre os recursos naturais e promovendo o uso de materiais compatíveis com o meio ambiente. As técnicas de reutilização de recursos também podem estar relacionadas à engenharia ecológica por meio do desejo de reduzir o uso de recursos naturais não renováveis, como o saneamento ecológico.

Em termos concretos, estas técnicas visam promover a conectividade ecológica e a integração da gestão no funcionamento do ecossistema. A continuidade ecológica é melhorada com a criação de tais cruzamentos obras ecodutos associados a dispositivos de guia Vida Selvagem: aterros, sebes, valas … A integração ecológica dos edifícios é assegurada pela incorporação de sua influência, seu entorno e a valorização das estruturas si mesmos. Telhados verdes e paredes verdes estão se tornando importantes desde a integração da biodiversidade aos padrões ambientais de edifícios como o HQE ou o BREEAM e tendem a interessar arquitetos e designers de interiores, e não apenas os desenvolvedores rodoviários ou fluviais.

A integração ecológica também pode ser realizada em escalas maiores que o local de desenvolvimento simples. Os atores da engenharia ecológica ajudam os profissionais a pensar sobre a compatibilidade da atividade de sua empresa com o funcionamento do ecossistema e até mesmo trabalhar no nível do modelo econômico do território, ou mesmo do país. Isso pode concentrar todos os setores econômicos, mesmo os mais off-ground.

Guia de Design
O projeto de projeto ambiental seguirá um ciclo semelhante ao ciclo do projeto de engenharia – a designação do problema (objetivo), a análise do problema (restrições), a busca de soluções alternativas, a escolha de alternativas e a especificação do ciclo final. solução. Os elementos que distinguem o design ambiental são desenvolvidos por muitos autores, mas ainda não existe uma abordagem única. Normalmente, o objetivo do projeto inclui proteção, ecossistemas em risco, restauração de ecossistemas degradados ou a criação de um novo ecossistema sustentável para atender às necessidades da natureza e da sociedade. Ao escolher entre alternativas, o projeto deve incluir uma economia ambiental na avaliação de projetos e reconhecer um sistema de valores orientadores que promova a conservação biológica.

Adequado para todos os tipos de ecossistemas

Adapta métodos de design
A implementação do projeto deve ser baseada no uso da ciência e teoria ambiental.
Baseado na capacidade de auto-reprodução dos ecossistemas
Adota a teoria da gestão adaptativa da aprendizagem sobre os erros, o projeto é testado na teoria ambiental.
Baseia-se em abordagens para um sistema integrado
Preserva fontes de energia não renováveis

Mitsch e Jorgensen identificaram as seguintes considerações antes de implementar um projeto de engenharia ecológica:

Criar modelo conceitual de determinar as partes da natureza conectadas ao projeto;
Implementar um modelo computacional para simular os impactos e a incerteza do projeto;
Otimize o projeto para reduzir a incerteza e aumentar os impactos benéficos.

Currículo
O currículo foi desenvolvido para o Projeto Ambiental e as principais instituições dos EUA lançaram esses programas. Os elementos deste programa são:

Um currículo acadêmico foi proposto para engenharia ecológica e instituições em todo o mundo estão iniciando programas. Os principais elementos deste currículo são: engenharia ambiental; ecologia de sistemas; ecologia de restauração; modelagem ecológica; ecologia quantitativa; economia de engenharia ecológica e eletivas técnicas.

Complementando este conjunto de cursos são pré-requisitos cursos em áreas físicas, biológicas e químicas e experiências de design integrado. Segundo Matlock et al., O projeto deve identificar restrições, caracterizar soluções em tempo ecológico e incorporar a economia ecológica na avaliação do projeto. A economia da engenharia ecológica foi demonstrada usando princípios energéticos para uma terra úmida e usando a avaliação de nutrientes para uma fazenda de gado leiteiro

Ecologia Quantitativa
Ecologia do Sistema
Ecologia Restaurativa
Modelagem ambiental
Engenharia Ambiental
Economia da Engenharia Ambiental

Eletivas técnicas
Além deste conjunto de cursos, existem cursos iniciais de disciplinas físicas, biológicas e químicas. De acordo com Matlock e outros, o projeto deve definir restrições, caracterizar soluções em tempo ecológico e incorporar a economia ambiental na avaliação de projetos. A economia da engenharia ambiental tem sido demonstrada usando os princípios de consumo de energia necessários para as zonas úmidas e nutrientes para a fazenda de gado leiteiro.