109 原住民特考三等 環保技術 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

離子強度是溶液中各種離子濃度與其電荷平方的加權總和，用來表示溶液中離子間靜電作用的整體程度。其定義為

其中，$I$ 為離子強度，$c_i$ 為第 $i$ 種離子的莫耳濃度，$z_i$ 為該離子的電荷數。電荷數要平方後再乘濃度，因此二價離子對離子強度的貢獻，是相同濃度一價離子的四倍。

解題方法

假設 $\mathrm{MgCl_2}$ 在水中完全解離：

每 $1$ 莫耳 $\mathrm{MgCl_2}$ 產生 $1$ 莫耳 $\mathrm{Mg^{2+}}$ 與 $2$ 莫耳 $\mathrm{Cl^-}$。因此，$0.4\,\mathrm{M}$ 的 $\mathrm{MgCl_2}$ 溶液中：

核心觀念

本題考查硫化鐵礦物氧化後造成酸性礦場出流水（acid mine drainage, AMD）的機制。礦渣中的黃鐵礦 $\mathrm{FeS_2}$ 接觸空氣與水後，硫化物中的硫被氧化，生成硫酸根與酸；釋出的亞鐵離子又可被氧化成鐵離子，進一步促進黃鐵礦氧化。因此，黃鐵礦氧化、酸生成與鐵的氧化還原反應會連續發生。

解題方法：列出逐步氧化反應

可由黃鐵礦首先被氧化時生成亞鐵離子、硫酸根與氫離子的反應開始，再依序列出亞鐵氧化、鐵離子水解，以及鐵離子氧化黃鐵礦的反應。

1. 黃鐵礦直接氧化

在氧氣與水存在下，黃鐵礦氧化生成亞鐵離子、硫酸根及酸：

$\mathrm{FeS_2+\frac{7}{2}O_2+H_2O\rightarrow Fe^{2+}+2SO_4^{2-}+2H^+}$

反應直接產生 $\mathrm{H^+}$，使水體酸化。

2. 亞鐵離子氧化為鐵離子

在氧氣存在下，亞鐵離子可氧化成鐵離子：

$\mathrm{Fe^{2+}+\frac{1}{4}O_2+H^+\rightarrow Fe^{3+}+\frac{1}{2}H_2O}$

這一步會消耗部分 $\mathrm{H^+}$，但生成的 $\mathrm{Fe^{3+}}$ 能進一步氧化黃鐵礦。

3. 鐵離子水解並形成氫氧化鐵沉澱

當溶液條件適合時，鐵離子水解、沉澱為氫氧化鐵：

$\mathrm{Fe^{3+}+3H_2O\rightarrow Fe(OH)_3(s)+3H^+}$

核心觀念

本題考查甲苯在地下水中的生物降解，以及生物處理時電子提供者與電子接受者的判斷。

甲苯是可被微生物利用的芳香族有機污染物。生物降解時，微生物將甲苯氧化以取得能量；電子由甲苯或其他有機共基質提供，並傳遞給電子接受者。地下水的氧化還原條件會影響降解途徑與速率。

解題方法

若地下水含有足夠溶氧，通常優先採用好氧生物處理。好氧條件下，氧氣是末端電子接受者；微生物可藉由加氧反應活化甲苯，再逐步將其分解，最終形成二氧化碳、水及生物質。好氧降解通常較快速、效率較高，因此是甲苯生物現地處理的常見選擇。

地下水缺氧或需處理好氧法難以涵蓋的污染區時，也可採用厭氧生物處理。此時微生物在沒有氧氣的條件下分解甲苯，利用硝酸鹽、硫酸鹽、三價鐵或二氧化碳等作為電子接受者；反應速率及適用條件會因電子接受者與微生物群落而異。

電子提供者與接受者

核心觀念

本題考查氮循環中，微生物如何將氨氮轉化為氮氣。主要有兩大途徑：

1. 硝化－脫硝作用：先將氨氮氧化成亞硝酸鹽或硝酸鹽，再由脫硝菌還原成氮氣。
2. 厭氧氨氧化作用（anammox）：在缺氧條件下，厭氧氨氧化菌以氨氮和亞硝酸鹽為反應物，生成氮氣。

解題方法

由題目中的「將氨氮轉成氮氣」切入，辨認氮循環中兩種能產生氮氣的生物途徑：一種是先經硝化、再經脫硝的傳統途徑；另一種是厭氧氨氧化，直接以氨氮和亞硝酸鹽生成氮氣。

硝化－脫硝作用分成兩階段：

• 硝化：好氧條件下，硝化微生物將氨氮氧化為亞硝酸鹽或硝酸鹽。以硝酸鹽為終產物表示：

$\mathrm{NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O}$

• 脫硝：缺氧條件下，脫硝微生物以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體，將其還原為氮氣。以硝酸鹽表示：