生態工学
生態系サービスを回復するための河川修復は、生態工学の一般的な応用の一つである。

生態工学は、生態学と工学を用いて、「人間社会と自然環境を双方の利益のために統合する」生態系を予測、設計、構築、修復、管理する。 [ 1 ]

起源、主要概念、定義、応用

生態工学は1960年代初頭に新しい概念として登場しましたが、その定義の洗練には数十年を要しました。その実践は現在も調整の途上にあり、新しいパラダイムとして広く認識されるようになったのは比較的最近のことです。生態工学は、ハワード・オダムら[ 2 ]によって、環境システムの操作と制御のための主要な入力として自然エネルギー源を利用するものとして提唱されました。生態工学の起源は、資源の効率的な利用に影響を与えるエネルギーと物質の流れの全体的なマクロパターンを捉えるための、オダムによる生態学的モデリングと生態系シミュレーションの研究にあります。

ミッチとヨルゲンセン[ 3 ]は、社会と自然に利益をもたらす問題への取り組みにおいて、生態工学と他のアプローチを区別する5つの基本概念をまとめました。1)生態系の自己設計能力に基づいていること、2)生態学的理論のフィールドテスト（または酸によるテスト）になり得ること、3)システムアプローチに依存していること、4)再生不可能なエネルギー源を節約していること、5)生態系と生物の保全をサポートしていることです。

ミッチとヨルゲンセン[ 4 ]は、生態工学を社会と自然に利益をもたらすような社会サービスを設計することと定義した最初の人物であり、後に[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 3 ]設計はシステムに基づいており、持続可能であり、社会と自然環境を統合するべきであると述べた。

バーゲンら[ 8 ]は生態工学を次のように定義した。1)生態学の科学と理論を活用すること、2)あらゆる種類の生態系に適用すること、3)工学設計手法を適応させること、4)指針となる価値体系を認識すること。

バレット（1999）[ 9 ]は、この用語をより文字通りに定義している。「人類、そして多くの場合、自然に利益をもたらすために、景観/水生構造物および関連する動植物群（つまり、生態系）の設計、建設、運用、管理（つまり、エンジニアリング）を行うこと」。バレットはさらに、「同等または類似の意味を持つ他の用語には、エコテクノロジーや、土壌バイオエンジニアリングとバイオテクノロジーエンジニアリングという、侵食防止分野で最もよく使われる2つの用語があります。しかし、生態工学は、細胞レベルの遺伝子工学を説明する「バイオテクノロジー」や、人工身体部位の構築を意味する「バイオエンジニアリング」と混同すべきではありません。」と述べている。

生態工学の応用は、1)メソコズム（約0.1～数百メートル）、2)エコシステム（約1～数十キロメートル）、3)地域システム（>数十キロメートル）の3つの空間スケールに分類できます。設計の複雑さは、空間スケールが大きくなるにつれて増加する可能性があります。社会と自然のインターフェースとしてエコシステムを設計および使用する機会が増えるにつれて、応用の幅と深さが増しており、分野の定義に影響を与える可能性があります。[ 10 ]生態工学の実装は、劣化した湿地から、微生物、魚、植物のサービスを統合して人間の廃水を肥料、花、飲料水などの製品に処理する多細胞槽や温室まで、エコシステムの創造または修復に重点を置いています。[ 11 ]都市における生態工学の応用は、ランドスケープアーキテクチャー、都市計画、都市園芸などの他の分野との連携から生まれており、[ 8 ]国連の持続可能な開発目標で目標とされているように、雨水管理などの総合的なプロジェクトを通じて人間の健康と生物多様性に対処するために行われています。農村景観における生態工学の応用には、湿地処理[ 12 ]や伝統的な生態学的知識によるコミュニティの再植林が含まれています。[ 13 ]パーマカルチャーは、生態工学とは異なる分野として登場したより広範な応用の一例であり、デビッド・ホルムグレンはパーマカルチャーの発展におけるハワード・オダムの影響を挙げています。

設計ガイドライン、機能クラス、設計原則

生態工学設計は、システム生態学と工学設計のプロセスを融合させる。工学設計には通常、問題の定式化（目標）、問題の分析（制約）、代替解決策の探索、代替案の決定、そして完全な解決策の仕様策定が含まれる。[ 14 ]マトロックらは時間的設計フレームワークを提示し、[ 15 ]設計解決策は生態学的時間の中で検討されると述べた。代替案の選択においては、設計評価に生態経済学を組み込むべきであり[ 15 ]、生物保全を促進し、社会と自然に利益をもたらすような指針となる価値体系を認識すべきである。[ 7 ] [ 8 ]

生態工学は、システム生態学を工学設計に活用して、社会と自然の内部および間の相互作用を総合的に捉えます。ハワード・オダムによるエネルギーシステム言語（エネルギー回路言語またはエネルゲーズとも呼ばれる）を用いた生態系シミュレーションは、このシステム生態学アプローチの一例です。[ 16 ]この総合的なモデル開発とシミュレーションでは、対象システムを定義し、システムの境界を特定し、エネルギーと物質がシステム内外にどのように出入りするかを図式化することで、生態系プロセスを通じて再生可能資源をどのように利用し、持続可能性を高めるかを特定します。ここで記述されるシステムは、何らかの相互作用または相互関係によって接続された構成要素（すなわち部品）の集合（すなわちグループ）であり、何らかの刺激または需要に集合的に反応し、特定の目的または機能を果たします。システム生態学を理解することで、生態工学者は生態系の構成要素とプロセスをより効率的に設計し、再生可能エネルギーと資源を活用し、持続可能性を高めることができます。

ミッチとヨルゲンセン[ 3 ]は、生態工学設計のための5つの機能クラスを特定しました。

  1. 汚染問題の軽減・解決に活用される生態系。例：ファイトレメディエーション、廃水湿地、雨水のバイオリテンションによる過剰な栄養素や金属汚染のろ過
  2. 資源問題に対処するために模倣またはコピーされた生態系。例：森林再生、湿地の代替、住宅や都市の冷却を最適化するために樹冠被覆を拡大するための街路沿いの雨水庭園の設置
  3. 撹乱後の生態系の回復。例：鉱山跡地の修復、湖の修復、成熟した河畔回廊を備えた水路の水生生物の修復
  4. 生態学的に健全な方法で改変された生態系。例：プランクトン食魚の減少、動物プランクトンの増加、藻類や植物プランクトンの利用、水質浄化を目的とした、選択的な木材伐採、生物操作、捕食魚の導入。
  5. 生態系のバランスを崩すことなく、その恩恵のために活用される。例：持続可能な農業生態系、複数種の水産養殖、住宅地にアグロフォレストリー区画を導入し、複数の垂直レベルで一次生産を生み出すこと。

ミッチとヨルゲンセン[ 3 ]は生態工学のための19の設計原則を特定したが、すべてが単一の設計に貢献するとは期待されていない。

  1. 生態系の構造と機能は、システムの強制機能によって決定されます。
  2. 生態系へのエネルギーの投入と生態系で利用可能な貯蔵量は限られています。
  3. エコシステムは開放的で散逸的なシステムです（エネルギー、物質、エントロピーの熱力学的バランスではなく、複雑で混沌とした構造の自発的な出現です）。
  4. 汚染を防止したり生態系を回復したりするには、限られた数の管理/制御要因に注意を払うことが最も戦略的です。
  5. 生態系には、変動の大きい入力の影響を平滑化し抑制する恒常性維持能力があります。
  6. リサイクル経路を生態系の速度に適合させ、汚染の影響を軽減します。
  7. 可能な限りパルスシステム用に設計します。
  8. エコシステムは自己設計システムです。
  9. 生態系のプロセスには、環境管理において考慮されるべき特徴的な時間と空間のスケールがあります。
  10. 生態系の自己設計能力を維持するために生物多様性を擁護する必要がある。
  11. 推移帯、遷移帯は、細胞にとっての膜と同じくらい生態系にとって重要です。
  12. エコシステム間の結合は可能な限り活用されるべきである。
  13. エコシステムの構成要素は相互につながり、関連し、ネットワークを形成します。エコシステム開発の直接的および間接的な取り組みを考慮します。
  14. エコシステムには発展の歴史があります。
  15. 生態系と種は地理的境界で最も脆弱です。
  16. 生態系は階層的なシステムであり、より大きな景観の一部です。
  17. 物理的プロセスと生物学的プロセスは相互作用するため、物理的相互作用と生物学的相互作用の両方を理解し、適切に解釈することが重要です。
  18. エコテクノロジーには、相互作用するすべての部分とプロセスを可能な限り統合する総合的なアプローチが必要です。
  19. 生態系の情報は構造の中に保存されます。

ミッチとヨルゲンセン[ 3 ]は、生態工学設計を実施する前に以下の点を考慮すべきだと特定した。

  • プロジェクトに関連する自然の部分を決定する概念モデルを作成します。
  • プロジェクトの影響と不確実性をシミュレートするためのコンピュータ モデルを実装します。
  • プロジェクトを最適化して不確実性を減らし、有益な影響を増やします。

他の工学分野との関係

生態工学分野は、環境工学および土木工学分野と密接に関連しています。これら3つの分野は、水資源工学、特に雨水と廃水の処理と管理の分野で広く重複しています。これら3つの工学分野は互いに密接に関連していますが、それぞれの分野には独自の専門分野があります。

生態工学は主に自然環境と自然インフラに焦点を当て、人間と地球の関係の仲介を重視します。補完的な分野としては、土木工学は主に建築インフラと公共事業に焦点を当て、環境工学は廃棄物の処理と管理を通じて公衆衛生と環境衛生の保護に焦点を当てています。

生態学、環境学、土木工学の関係。

学術カリキュラム（大学）

2001年に生態工学の学術カリキュラムが提案された。[ 15 ]提案されたカリキュラムの主要な要素は、環境工学、システム生態学、修復生態学、生態学的モデリング、定量的生態学、生態工学の経済学、および技術選択科目である。[ 17 ]これらのコースセットを補完するのは、物理学、生物学、化学分野の前提条件コースと統合設計経験であった。Matlockらによると、[ 15 ]設計では制約を特定し、生態学的時間内で解決策を特徴付け、設計評価に生態経済学を組み込む必要がある。生態工学の経済学は、湿地のエネルギー原理を使用して実証されている。[ 18 ]酪農場の栄養評価を使用して。[ 19 ]これらの原則を念頭に置いて、世界初のBS生態工学プログラムが2009年にオレゴン州立大学で正式化された。[ 20 ]

2024年、米国工学技術認定委員会（ABET）は、初めて生態工学プログラムの認定基準を発表しました。[ 21 ]認定を受けるには、BS生態工学プログラムには以下の内容が含まれている必要があります。

  • 微分方程式、確率と統計、微積分に基づく物理学、大学レベルの化学を通じた数学。
  • 地球科学、流体力学、水力学、水文学。
  • さまざまな規模の多生物自立システム、システム生態学、生態系サービス、生態学的モデリングに焦点を当てた生物学および高度な生態学。
  • 物質とエネルギーのバランス、空気、水、土壌中およびそれらの間の物質の運命と輸送、生体システムの熱力学、そして
  • 気候、種の多様性、自己組織化、不確実性、持続可能性、回復力、生態系と社会システムの相互作用、システム規模の影響と利点を考慮した、生態学的原則を工学設計に適用します。

参照

文学

参考文献

  1. ^ WJ Mitsch & SE Jorgensen (1989)、「生態工学入門」、WJ Mitsch および SE Jorgensen (編)、『生態工学：エコテクノロジー入門』、 John Wiley & Sons、ニューヨーク、3-12頁。
  2. ^ HT Odum他 (1963)「海洋生態系の工学実験」テキサス大学海洋科学研究所刊行物、9:374-403。
  3. ^ a b c d e W.J. MitschとSE Jorgensen (2004)、「生態工学と生態系の修復」John Wiley & Sons、ニューヨーク
  4. ^ WJ MitschとSE Jorgensen (1989)、「生態工学入門」WJ MitschとSE Jorgensen（編者）著『生態工学：エコテクノロジー入門』 John Wiley & Sons、ニューヨーク、3-12頁。
  5. ^ WJ Mitsch (1993)、「生態工学 - 惑星生命維持システムとの協力的役割」、 Environmental Science & Technology、27: 438-45。
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  7. ^ a b W.J. Mitsch & SE Jørgensen (2003)、「エコロジカルエンジニアリング：時代が来た分野」、エコロジカルエンジニアリング、20(5):363-377。
  8. ^ a b c S.D. Bergen他 (2001)「生態工学の設計原則」『生態工学』 18:201-210。
  9. ^ KR Barrett (1999). 「水資源における生態工学：自然との協働のメリット」. Water International . 24 : 182–188 . doi : 10.1080/02508069908692160 .
  10. ^湿地生態工学センター、ウェブテキスト 2007。
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  15. ^ a b c d M.D. Matlock他 (2001)、「エコロジカルエンジニアリング：米国における標準化されたカリキュラムと専門資格の根拠」『エコロジカルエンジニアリング』17:403-409。
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  17. ^ Diemont, SW, TJ Lawrence, TA Endreny. 「生態工学教育の構想：教育・専門家コミュニティの国際調査」, Ecological Engineering, 36(4): 570-578, 2010. DOI: 10.1016/j.ecoleng.2009.12.004
  18. ^ S. Ton、HT Odum、JJ Delfino (1998)、「湿地管理代替案の生態学的経済評価」、 Ecological Engineering、11: 291-302。
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  20. ^ 「OSU、米国初の生態工学学位プログラムを開始」Life at OSU . 2009年7月6日. 2023年4月27日閲覧。
  21. ^ 「エンジニアリング プログラムの認定基準、2025～2026年」。

組織

科学雑誌

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