ومع تزايد تغير المناخ، تواجه المراكز الحضرية في جميع أنحاء العالم تهديدات متصاعدة من الحرارة الشديدة، والفيضانات المأساوية، وتدهور نوعية الهواء، وتزيد البيئة المبنية من تفاقم هذه التحديات من خلال التأثيرات الجزرية الحرارية الحضرية، والأسطح غير المستقرة التي تزيد من سرعة الارتحال، والانبعاثات المركزة من النقل والصناعة، وفي مواجهة ذلك، فإن موجة جديدة من هندسة النظم الإيكولوجية - التي تعمل على توليد تكنولوجيات حيوية مبتكرة - تؤدي إلى إحداث تحول في عمليات التكيف الهيكلي.

Understanding Ecosystem Engineering in the Urban Context

وتشير هندسة النظم الإيكولوجية تقليدياً إلى التغيير المتعمد للبيئات الطبيعية من جانب الكائنات الحية - القوارض التي تبني السدود، والفراولة التي تبنى الشعاب المرجانية، وفي القدرة على مواجهة المناخ الحضري، فإن المصطلح يُستخدم على أساس توجيهي بشري: تصميم المهندسين وعلماء الأحياء وتركيب النظم البيولوجية لتقديم الخدمات الإيكولوجية التي تحتاج إليها المدن بشدة، وهذه النظم ليست مجرد متجانسة؛ وهي هياكل أساسية وظيفية تُعدّدّزّزّها أو تعززها.

وقد حقق العلم الذي خلف هندسة النظم الإيكولوجية الحضرية من علم الفيزياء النباتية، وعلم الأحياء المائية، وعلم المواد، وقد نضج هذا المجال خلال العقدين الماضيين من قطع صغيرة تجريبية إلى عمليات نشر واسعة النطاق في مدن رئيسية مثل سنغافورة وكوبنهاغن ونيويورك، وكان من الأساسي لهذا التطور إدماج التكنولوجيا الحيوية - استخدام الكائنات الحية أو كل ما يولدها من مشتقات في خلق منتجات ونظم.

Key Biotechnologies Powering Urban Ecosystem Engineering

الحواف الخضراء المولدة في أعماق المحيطات

:: تطورت السقف الأخضر الحديث إلى ما بعد الرواسب البسيطة، حيث يؤدي الهندسة الأحيائية الآن إلى اختيار وتعديل أنواع النباتات ووسائل الإعلام المتنامية لتحقيق أقصى قدر من الأداء الحراري، واستبقاء المياه، واستعادة الملوثات، وقد طور الباحثون أنواع النباتات التي تعزز من التسامح إزاء الجفاف، إلى جانب ارتفاع معدلات التبخر - عملية تبرد الهواء المحيط.

وتبين دراسات الحالة من مدن مثل تورنتو، التي نفذت قانوناً أخضراً على السطح في عام 2009، أن الأسطح المصممة أحيائياً يمكن أن تقلل درجات حرارة السطح الصيفي بنسبة تتراوح بين 30 و40 درجة مئوية مقارنة بالأسطح السوداء التقليدية، وفي سنغافورة، تستخدم مبادرة الحكومة " مدينة غاردن " ، وسُبلاً عالية الأداء على السُماء لدعم الأشجار والأشباح التي من شأنها أن تكون مستحيلة في مثل هذه المستويات().

تعديلات التربة الدقيقة

Soil health is the foundation of any green infrastructure, yet urban soils are often compacted, sterile, and contaminated. Biotechnology offers solutions through microbial amendments: concentrated formulations of useful bacteria, fungi, and archaea that restore the soil food web. Mycorrhizal fungi, for example, form symbigenotic associations with plant roots, extending their reach for water and nutrients.

ومن بين الابتكارات الحديثة " اتحادات الوصلات المغلقة " المتوازنة بعناية لأداء مهام متعددة في آن واحد، وقد اشتمل اتحاد منتشر في مشروع لإعادة ترميم متنزه مدينة نيويورك على 12 نوعا من البكتيريا التي تعزز معاً عزل الكربون بنسبة 25 في المائة مقارنة بالتربة غير المعالجة، وتحسن تسرب المياه بنسبة 40 في المائة، وتسريع انهيار الملوثات المشتركة مثل الزيوت ومبيدات الآفات الملوّثة.

حائط المعيشة والهندسة الإلكترونية

وفي الحالات التي تكون فيها المساحة الأفقية شحيحة، فإن الجدران الحية تجلب خدمات النظم الإيكولوجية إلى السطح العمودي، وتحسن التكنولوجيا الأحيائية هذه النظم من خلال لوحات نموذجية مهندسة تدعم تنوع أنواع النباتات وتعالج بشكل نشط الهواء، وتشتمل بعض الجدران الحية على تصميمات " بيوفيليك " تُفضي إلى تدفق الهواء عبر الرغوة، وتعزز ضبط الجسيمات، وقد خلصت دراسة أجريت في لندن إلى أن حائزاً حياً من طراز " ثنائياً يبلغ طوله " يبلغ طوله ٢٠ عاماً من العمران من العمران من نفس المساحة.

وتدمج الآن جدران المعيشة المتقدمة النظم الهيدروبونية أو الأيروبيونية التي تغذي المياه والمغذيات، وتخفض الصيانة، كما يقوم الباحثون بتجربة أنواع من الطرازات المعدلة جينيا التي تتراكم فيها الفلزات الثقيلة مثل الرصاص والكادميوم، بينما ثبت أن جدران " المعالجة الحيوية " هذه يمكن تركيبها على طول الطرق المشغولة لحماية المركبات الصغيرة المتطاولة والمقيمين القريبين من الانبعاثات السامة.

معالجة المواد الكيميائية والأراضي الرطبة المُهندسة

(أ) إنَّ التصفيات الحضرية هي مصدر رئيسي لتلوث المياه، وحمل النفط، والفلزات الثقيلة، والمسببات المرضية في الأنهار والبحيرات، حيث إنَّ النباتات التي تستخدم فيها المعالجة الفيزيائية لاستخراج أو تدهور أو تثبيت الملوثات - كانت بمثابة تطهير صناعي لعقود، ولكن التكنولوجيات الأحيائية تُصمم الآن لتدبير مياه العواصف الحضرية.

وتشكل الأراضي المزروعة المتطورة شكلاً أكثر تعقيداً من هندسة النظم الإيكولوجية، كما أن هذه المناطق الفرعية ذات التكنولوجيا الأحيائية، بما في ذلك طبقات من الزلويت، والجزر الموسَّعة، والمرشحات الحيوية الكثيفة التي تدعمها التكنولوجيا الأحيائية، والتي تكسر الملوثات العضوية، إضافة سلالات الطيور البكتيرية التي تحط من الهيدروكربونات، يمكن أن تزيد من الأداء.

مفاهيم مدينة سونغ والمخصصات القابلة للتداول الأحيائي

ويرمي نهج " المدينة المجيبة " ، الذي كان رائدا في الصين، إلى امتصاص وتخزين مياه الأمطار وإعادة استخدامها بدلا من توجيهها إلى النفايات، وتؤدي التكنولوجيا الأحيائية دورا في المواد المستخدمة لخلق أسطح قابلة للزراعة، وتشتمل الخلائط الخرسانية المصممة على البكتريا التي تهيمن على كربون الكالسيوم، وتخلق شقا ذاتيا تحافظ على القدرة على التحمل على مدى الزمن.

وبالإضافة إلى الرصفات، تشمل تصميمات المدن المتصدعة حدائق الأمطار، وبقايا الاحتفاظ، وغرف التخزين تحت الأرض المليئة بمجموعات فرعية مهندسة، وقد استخدم مشروع حديث في روتردام طبقة من التربة ذات الغطاء النباتي تحت مربع عام لاستخلاص ومعالجة أول 10 ملليمترات من كل حدث من حوادث سقوط الأمطار، مما أدى إلى خفض تدفقات المجاري المشتركة بنسبة 30 في المائة، كما يدعم النظام زراعة أشجار محلية توفر الشظايا والموائل.

Benefits of Biotechnologies in Urban Climate Resilience

نظام التأديب

ويمكن للجزر الحضرية أن ترفع درجات حرارة المدن ب ٣-٧ درجة مئوية مقارنة بالمناطق الريفية المحيطة بها، كما أن الهياكل الأساسية الخضراء المعززة تقنياً تبرد من خلال التبخر وزيادة الطحالب، مثلاً، يمكن لسقف أخضر ذي أنواع زراعية مفضلة أن ينتقل إلى ٥٠ في المائة من سطح مائي عادي، ويزيل الحرارة المتأخرة من الغلاف الجوي)١٥(.

الحد من الفيضانات

وتزداد تواتر أحداث هطول الأمطار الغزيرة بسبب تغير المناخ، إذ تتسبب الأسطح المنتشرة في المدن في حدوث انحراف سريع في نظم الصرف التي تغط على المياه، وتزيد النظم المصممة بيولوجياً زيادة كبيرة في الاحتفاظ بالمياه: فسقف خضراء نموذجي يمكن أن يُحمل 50-90 في المائة من الأمطار السنوية تبعاً للعمق والغطاء النباتي، ويمكن أن تُبقي التربة المُزرَفة في حدائق الأمطار 30 في المائة من المياه على التربة التي تُعدّ من التربة التقليدية في عام 2011.

تحسين نوعية الهواء

المادة الجزائية (PM2.5 و PM10) ونيتروجين ثاني أكسيد النيتروجين والأوزون (O3) هي ملوثات جوية حضرية رئيسية مرتبطة بمرض الجهاز التنفسي و القلبي الوعائي (Piovascular) وتعترض الجسيمات على أسطح الأوراق وتستوعب الغازات من خلال الستماتا، وتخفض النباتات المصممة تكنولوجيا بيولوجية ذات الأرقام القياسية لأماكن العمل وفترات الترايك (ال)

دعم التنوع البيولوجي

وكثيرا ما تتألف الأماكن الخضراء الحضرية من مذابح أحادية لا توفر قيمة موائل تذكر، كما أن هندسة النظم الإيكولوجية الحيوية تصمم عمدا للتنوع البيولوجي، كما أن أنواع النباتات المحلية قد اختيرت أو عززت باستخدام أنواع من الميكروبات التي تدعم الملوثات المتخصصة والطيور، كما أن الأسطح الخضراء في سويسرا قد صُممت بمزجات نباتية معينة تجتذب أنواع نادرة من النحل، مما أدى إلى تحول في السابق إلى موائل للزه الفراشات.

التحديات والنظر في المسألة

ورغم وعدها، فإن النهج التكنولوجية الأحيائية إزاء هندسة النظم الإيكولوجية تواجه عدة حواجز. ] التوازن الإيكولوجي ] هو شاغل رئيسي: فإدخال أصناف غير نباتية أو اتحادات مجهرية يمكن أن يعطل النظم الإيكولوجية الحضرية القائمة أو يصبح متفشياً.() والاختبارات المجردة في البيئات الخاضعة للرقابة التي تعقبها التجارب الميدانية التدريجية أمر أساسي قبل نشرها على نطاق واسع.

]Maintenance demands] are higher than for traditional gray infrastructure. Green roofs require periodic irrigation weeding, and replacement of plants. Living walls need nutrient delivery and pest control. The cost of maintaining these systems can be two to three times that of conventional landscaping, which may deter cash-strapped municipalities. However, lifecycle cost analyses that factor in flood avoided damage.

(ب) تظل القابلية للتكرار والتكلفة عقبات كبيرة، ومع ارتفاع مستويات الإنتاج وتطور التقنيات، يتوقع أن تتراجع الأسعار، أو أن ترتفع الحوافز الحكومية مثل انقطاع الضرائب، كلما كان ذلك في منطقة الوحدة، فإن نظام السقف الأخضر المصمم أحيائياً يمكن أن يكلف 30 إلى 50 في المائة أكثر من النظام التقليدي.

كما يجب النظر في النتائج غير المقصودة ، فعلى سبيل المثال، يمكن للتعديلات المجهرية التي تعزز نمو النباتات أن تزيد من الطلب على المياه في فترات الجفاف، وتدريب إمدادات المياه الحضرية، وبالمثل، قد تفوق النباتات السريعة النمو على السقف الأخضر الأنواع الأبطأ، وتخفض التنوع، ومن أجل التخفيف من هذه المخاطر، يجب أن تكون تصميمات النظم مصممة حسب الظروف المناخية المحلية ومراقبتها على مر الزمن.

(ب) يؤدي بعض المواطنين دورهم في تصورهم وسياستهم () وينظرون إلى النباتات المعدلة تقنياً من الناحية البيولوجية، مع الاشتباه في ذلك، ويساوونها مع المحاصيل المحورة وراثياً، ويعد التواصل عبر الحدود بشأن السلامة والفوائد أمراً بالغ الأهمية، وينبغي تحديث أطر السياسات للسماح بتوحيد هذه التكنولوجيات الجديدة، وعلى سبيل المثال، كثيراً ما تفتقر رموز البناء إلى أحكام بشأن البنية التحتية الخضراء التي تستخدم وسائل الإعلام أو النباتات غير التقليدية.

الاتجاهات المستقبلية والابتكارات الناشئة

ويعود العقد المقبل بأدوات تكنولوجية حيوية أكثر تطوراً لهندسة النظم الإيكولوجية الحضرية. Smart Bioengineered systems] التي تدمج أجهزة الاستشعار والمراقبة المستقلة في الأفق، وتتصور سقفاً أخضراً يرصد معدلات حركية التربة والتنبؤات الجوية وصحة النباتات، ثم تُعدل تلقائياً الري وتغذية الأداء في الجامعة.

ويمكن أن توفر البيولوجيا التركيبية محطات ذات قدرات جديدة تماماً، علماً بأن هذه التكنولوجيات هي محطات هندسية لإنتاج علم الأحياء الفقيرة من أجل إضاءة الشوارع المنخفضة الطاقة أو من أجل مركبات سرية تُعيد البعوض، ومع أن هذه التطبيقات لا تزال في مختبرات مبكرة، فإن احتمال إدراج خدمات متعددة للنظم الإيكولوجية في حوار واحد يقوم على أساس أخلاقي.

Integration with digital twins and Internet of things (IoT)] networks could allow city-scale optimization of green infrastructure. If every green roof, bioswale, and living wall reports realtime data on temperature, water flow, and pollutant levels, urban planners can dynamically manage the entire ecosystem.

(ب) يلزم ابتكارات سياساتية لفتح باب الاعتماد الكامل على نطاق واسع، ويمكن للمدن أن تسند إلى التطورات الجديدة هياكل أساسية خضراء معززة تقنياً، مماثلة للنموذج الإلكتروني لطبقة سقف تورنتو الخضراء.() وتستكشف بوسطن ولندن أنظمة " المكاسب الصافية من التنوع البيولوجي " التي تتطلب مشاريع لزيادة قيمة الموئل، وحفز استخدام شركات البحث المحلية والبيئية.

وفي نهاية المطاف، فإن دمج التكنولوجيا الحيوية وهندسة النظم الإيكولوجية يوفر مساراً قوياً للمدن التي تقاوم المناخ، إذ يمكننا، من خلال التعلم من الطبيعة وزيادة هذه القدرة بإبداع الإنسان، أن نهيئ بيئات حضرية لا تكون أكثر راحة وقابلية للحياة فحسب، بل أيضاً مشاركين نشطين في التخفيف من تغير المناخ، ومع انخفاض التكاليف، وتراكم بيانات الأداء، ونمو مجموعات القبول العامة، ستصبح هذه الابتكارات أدوات قياسية في تكييف النظم الإيكولوجية الحضرية.