湿地浚渫の化学

湿地の化学的性質は、様々な目的で行われる浚渫の影響を大きく受けます。湿地は氾濫原内の陸生と水生の両方の特徴を持つ場所で、沼地、湿原、泥沼などがあります。^{[1]湿地の面積は約 2.8x10 6} km ²と推定されており、地球の表面の約 2.2% を占めていますが、他の推定ではさらに大きいものもあります。^[2]また、その価値は 14.9 兆ドルと推定されており、米国の商業用魚介類の 75%、レクリエーション用の 90% を占めています。^{[3] [4]湿地は、}水の浄化、暴風雨からの保護、産業、旅行、研究、教育、観光においても重要な役割を果たしています。 ^[4]浚渫は頻繁に行われ、頻繁に使用されますが、生態系への長期的なダメージの継続や土地の喪失、最終的には産業、住宅、保護の喪失につながります。^[5]

湿地は、塩分濃度や pH などのさまざまなパラメータに応じて異なる化学反応を起こします。酸化還元反応は、塩分濃度、 pH 、酸素の利用可能性などに大きく依存するため、湿地の生態系に大きな影響を与えます。湿地でよく起こる酸化還元反応には、炭素、窒素、硫黄の変化があります。水の流れや洪水の変動は、環境に応じて酸化種や還元種の豊富さを変える可能性があります。^[2]洪水や水の流れの増加は、地元の種の栄養素の利用可能性も変える可能性があります。^{[6]湿地が元の状態から変化すればするほど、土地の再建は難しくなります。}緩和の取り組みの種類も化学的性質によって変わるため、効果的な緩和には変化を理解することが必要です。

湿地は、陸上および水生システムの近くの水没した土地の領域です。湿地は非常に多様で、米国魚類野生生物局によって5 つのカテゴリに分類されています。「湿地という用語には、5 つのカテゴリのいずれかに該当するさまざまな領域が含まれます。(1)湿地、沼地、泥沼として一般に知られているような、水性植物と湿性土壌のある領域。(2) 水性植物はないが湿性土壌のある領域。たとえば、水位の急激な変動、波の作用、濁度、または高濃度の塩分によって水性植物の成長が妨げられる可能性がある平地。(3) 水性植物はあるが非水性土壌のある領域。たとえば、水性植物が定着しているが湿性土壌がまだ発達していない、貯水池の縁や掘削地。(4) 土壌はないが水性植物がある領域。たとえば、岩礁の海藻に覆われた部分。 （５）砂利浜や植生のない岩礁など、土壌や水生植物のない湿地」^[1]

湿地は塩分濃度に基づいて分類することもできます。これは、塩分濃度が主要な要因となる研究でよく参照される分類の一種です。これらの分類は、1000分の1（ppt）で参照されることが多く、淡水（0〜2ppt）、中間（2〜10ppt）、汽水（10〜20ppt）、塩水（20+ppt）が含まれます。^[7]

湿地は、生物多様性と生態系の恩恵の源です。湿地には、希少種、絶滅危惧種、絶滅危惧種に分類される 79 種を含む、多種多様な植物や動物が生息しています。米国魚類野生生物局の推定によると、湿地は、連邦政府が絶滅危惧種または絶滅危惧種に指定する種の最大 43% を直接的および間接的に保護しています。^[4]湿地は、カキ、エビの 50%、ワニの 75%、石油とガスの 27% の主要な生産地であり、米国最大の港湾施設があります。^[8]世界の湿地の価値は、推定 14.9 兆ドルです。^[3]

湿地はハリケーンからの高潮防止を含む災害防止の役割も果たします。湿地と防波島は、嵐が本土に到達する前にその力を弱めるのに役立ちます。また、約3エーカーフィート（100万ガロン）の水を貯めることができるため、洪水の被害を軽減する役割もあります。^[4]この貯水により、新しい堆積物が沈殿し、生態系の再生が可能になります。洪水は、根の浸透、土壌温度、伝導率、かさ密度などの要因にも影響を及ぼします。^[2]

湿地は水の流れが遅く、植物系による吸収が遅いため、汚染物質や余分な栄養素を除去するのに非常に効果的です。これは、「デッドゾーン」に含まれる主要な栄養素である窒素とリンの除去に効果的であることが示されています。^[6]また、湿地は重金属や硫黄の主要なシンクでもあります。^[9]

浚渫とは、水域から堆積物、植物種、および残骸を除去することである。湿地帯全体での産業、旅行、およびレクリエーションには、特に石油産業が沿岸湿地帯を通って沖合の掘削を行うために、運河の浚渫が必要になることが多い。浚渫後は水流の増加と植物の喪失により運河が広くなり、どちらも侵食の増加につながる。沿岸内水路の南には、ポンチャートレイン湖とモーレパス湖を除いて4,572マイルの運河があると推定されており、運河だけで米国で年間6.53平方マイルの土地が失われているとされている。^[10]これらの運河の浚渫に必要な許可には埋め戻しの条件が含まれているが、これはあまり強制されていない。これに対し、ジョン・M・バリーは民間弁護士や沿岸専門家らとともに、ルイジアナ州沿岸湿地帯で許可証を違反した97の企業を相手取り、2013年に訴訟を起こした。ニューヨーク・タイムズ紙はこれを「これまでで最も野心的な環境訴訟」と評し、政治的な抵抗に直面している。 ^[11]

湿地は、温度、圧力、溶存有機物、pH、塩分、溶存ガス（CO ₂および O ₂）など、その地域の特定の物理化学的特性に大きく依存するさまざまな化学反応を起こす動的なシステムです。最も大きな影響を与える特性は塩分とpHです。^[1]浚渫の結果である洪水の増加は、塩水の浸入を許し、pHを中和し、より嫌気的な土壌条件を提供するため、湿地の塩分濃度を高めます。その後、その条件は栄養素の利用可能性と酸化還元反応に影響を与えます。

酸化還元反応は、炭素、硫黄、窒素などの変換を通じて、湿地土壌の化学に大きな影響を与えます。^[2]酸素の豊富さによって、各化合物の酸化状態または還元状態の存在量が変わります。酸素の利用可能性が高い領域（好気性）は酸化状態になりやすく、酸素の利用可能性が低い領域（嫌気性）は還元状態になりやすいです。湿地の植物や動物は成長するために特定の条件を必要とするため、各タイプの豊富さによって異なる生態系が生まれます。一般的な湿地の酸化還元反応には次のものがあります。^[2]

2NO ₃ ⁻ +10e ⁻ +12H ⁺ → N ₂ +6H ₂ O

SO ₄ +8e ⁻ +9H ⁺ → HS ⁻ +4H ₂ O

CO ₂ +8e ⁻ +8H ⁺ → CH ₄ + 2H ₂ O

MnO ₂ +2e ⁻ +4H ⁺ → Mn ²⁺ + 2H ₂ O

Fe(OH) ₃ +e ⁻ +3H ⁺ → Fe ³⁺ + 3H ₂ O

浚渫により湿地を通る水の流れが増加し、嫌気性土壌状態が引き起こされます。^[2]この湿地タイプの変化は、起こる各反応の酸化還元状態の変化をもたらし、その結果、それらの地域で生育可能な植物種が変わります。酸化還元電位（Eh）は、ネルンストの式を通じて酸化還元反応の関係を示すのに役立ちます。

Eh=E ⁰ -(RT/nF)ln([還元剤] ^a /[酸化剤] ^b [H ⁺ ] ^b ) ^[2]

この式により、2 つの酸化還元系間の反応の程度を計算することができ、たとえば、特定の反応が完了するかどうかを判断するために使用できます。

_{湿地システムに影響を与えるこれらの状況の変化の一例としては、SO 4} ²⁻ （海水中に含まれる）の還元による黄鉄鉱（FeS ₂ ）の変化が挙げられる。^[2]

Fe(OH) ₃ + e ⁻ + H ⁺ → Fe(OH) ₂ + H ₂ O

SO ₄ ²⁻ + 6e ⁻ + 8H ⁺ → S + 4H ₂ O

S + 2e ⁻ + 2H ⁺ → H ₂ S

Fe(OH) ₂ + H ₂ S → FeS + 2H ₂ O

FeS + S → FeS ₂（黄鉄鉱）

得られた黄鉄鉱を排水すると、酸化されて水酸化鉄(III)と硫酸になり、極端な酸性度（pH < 2）が生じます。^[2]

洪水が増えると塩水が侵入し、塩分濃度が変化して通常生育する植物種が死滅し、利用可能な栄養素、化学物質、酸素のレベルも変化します。塩分濃度の上昇は硫酸塩濃度の上昇、硫化物排出量の増加、毒性の上昇につながります。また、亜鉛や銅などの微量金属と沈殿するため、植物種が利用できる硫黄の量が減少します。^[2]その一例が硫化鉄（FeS）で、これは湿地の土壌を黒くする原因であり、石炭鉱床によく見られる硫黄の源です。^[2]

洪水は、一般的に酸性（例外あり）の湿地の pH を中和します。酸性湿地は脱窒を阻害するため、洪水により脱窒が起こり、ガス状の窒素が大気中に放出されます。^[2]反応を以下に示します。

5C ₆ H ₁₂ O ₆ +24NO ₃ ⁻ +24H ⁺ → 30CO ₂ +12N ₂ +42H ₂ O

洪水によって嫌気性の土壌条件がもたらされると、リン酸が三価鉄とアルミニウム（酸性土壌）またはカルシウムとマグネシウム（塩基性土壌）とともに沈殿し、植物種がリンを吸収できなくなる。^[2]

環境が物理的手段（浚渫）によって変更されると、発生する反応が変化し、植物種と生態系への栄養素と化学種の利用可能性が減少します。これにより、これらの種が生存できなくなるため、物理的環境がさらに変化します。種が失われると、余分な栄養素を除去する種がいなくなるため、化学的環境がさらに変化します。これにより、植物種の生存不足により空き地ができ、浸食が増加するため、物理的環境もさらに変化します。化学環境の変化は、湿地の再建に適用される緩和技術にも影響を及ぼします。これは、植えられる可能性のある植物種の生存が化学環境に依存しているためであり、効果的な緩和を行うには変化を監視する必要があるためです。