110 地方特考三等 環境檢驗 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

本題考查兩個重點：

1. 四種消毒劑對微生物細胞及抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes, ARGs）的作用位置與機制。
2. 廢水中營養鹽，尤其是氨氮，對消毒劑有效濃度及消毒效率的影響。

抗性基因可分為：

• 胞內抗性基因（intracellular ARGs）：位於活細胞內的染色體或質體上，受到細胞膜、細胞壁及細胞內物質保護。
• 胞外抗性基因（extracellular ARGs）：細胞死亡、裂解後釋放至水體中的游離 DNA，較容易直接接觸消毒劑。

消毒程序的目標不只是使微生物失去活性，也要使 ARG 發生不可逆的結構破壞，避免其他微生物透過轉形作用取得抗藥性。

---

解題方法

本題應採用兩階段判斷法：

第一階段，判斷各消毒劑能否直接作用於細胞內 DNA。能直接到達並破壞 DNA 的消毒方式，對胞內 ARG 較有利。

第二階段，判斷營養鹽未去除時，哪一種消毒劑會因水中氨氮等物質消耗而降低有效濃度。若消毒劑會與氨氮發生快速反應，則其消毒效果容易打折。

---

四種消毒方式對胞內抗性基因的作用

一、自由氯

自由氯在水中主要形成次氯酸：

$$\mathrm{Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HOCl + H^+ + Cl^-}$$

次氯酸可再解離為次氯酸根：

$$\mathrm{HOCl \rightleftharpoons H^+ + OCl^-}$$

其中，$HOCl$ 的消毒能力通常高於 $OCl^-$，因為 $HOCl$ 為電中性分子，較容易穿透細胞膜。

自由氯的主要作用包括：

• 氧化細胞膜上的蛋白質及脂質；
• 破壞細胞酵素；
• 破壞細胞膜通透性；
• 氧化核酸鹼基，使 DNA 失去複製及轉錄能力。

然而，對於胞內 ARG 而言，自由氯必須先穿透細胞外部結構，才能有效接觸胞內 DNA。若氯主要消耗在細胞膜、細胞壁、細胞內有機物及水中有機物上，便可能發生「細胞已死亡，但 ARG 尚未完全失活」的情形。

因此，自由氯對胞內 ARG 有一定效果，但通常不是最直接、最穩定的方式。

---

二、臭氧

臭氧是強氧化劑：

$$\mathrm{O_3}$$

其消毒作用包括：

• 直接氧化細胞膜；
• 破壞細胞壁及細胞膜蛋白；
• 氧化細胞內酵素；
• 使細胞裂解，釋放胞內 DNA；
• 進一步氧化 DNA 鹼基及 DNA 骨架。

臭氧除了可破壞微生物細胞，也能直接攻擊胞外 DNA，因此對 ARG 的去除能力通常優於單純以細胞失活為主的消毒程序。若臭氧劑量及接觸時間足夠，並能造成細胞裂解及後續 DNA 氧化，對胞內 ARG 具有良好效果。

但臭氧的消耗量容易受到水中有機物、懸浮固體及其他還原性物質影響。水質較複雜時，臭氧可能先被非目標物質消耗，導致真正作用於 ARG 的臭氧量降低。

---

三、二氧化氯

二氧化氯為選擇性氧化劑：

$$\mathrm{ClO_2}$$

其主要作用包括：

• 氧化細胞膜蛋白及酵素；
• 破壞細胞膜結構；
• 影響細胞呼吸及代謝；
• 氧化核酸中的特定鹼基。

二氧化氯可穿透部分細胞結構，對胞內成分具有一定作用，也能破壞胞外 DNA。不過，其主要消毒效果常表現在細胞膜、酵素及蛋白質的氧化，對胞內 ARG 的直接破壞能力通常不如紫外光直接針對 DNA 的作用。

此外，水中有機物及還原性物質也會消耗二氧化氯，使其有效濃度下降。

---

四、紫外光

紫外光消毒主要使用 UV-C 波段，特別是接近 $254\ \mathrm{nm}$ 的波長。其作用對象是微生物細胞內的核酸，而非主要依賴細胞膜破壞。

紫外光會使相鄰嘧啶鹼基形成二聚體，最典型的是胸腺嘧啶二聚體：

$$\mathrm{DNA\ thymine + UV \rightarrow thymine\ dimer}$$

結果會造成：

• DNA 複製受阻；
• RNA 轉錄受阻；
• 基因表現失常；
• 抗性基因即使仍存在於細胞內，也無法正常表現抗藥性。

核心觀念

本題考查土壤污染物的「固相吸附—孔隙水分配」關係，以及土壤有機質增加對污染物遲滯與植物吸收的影響。

作物根部主要接觸土壤孔隙水，因此在總污染量相同的條件下，孔隙水濃度越高，通常越有利於污染物被根部吸收。污染物在土壤中的遲滯程度，可用遲滯因子 $R$ 表示：

$$R=1+\frac{\rho_bK_d}{\theta}$$

其中：

• $\rho_b$：土壤 bulk density；
• $K_d$：土壤—水分配係數；
• $\theta$：土壤體積含水率。

$R$ 越大，表示污染物越容易被土壤固相保留，移動速度越慢，孔隙水中的濃度通常越低。

---

解題方法

一、先判斷污染物主要的遲滯機制

土壤固相包括黏土、金屬氧化物及腐植質，不同污染物的主要作用機制不同：

• 重金屬：以表面吸附、離子交換、專性吸附、表面錯合、沉澱及有機質錯合為主。
• 疏水性農藥：主要透過疏水分配作用進入土壤有機質，形成有機相—水相之間的分配。

二、再判斷增加有機質是否能明確改變 $K_d$

若污染物的 $K_d$ 可由有機質含量穩定估算，便可用平衡分配概念預測孔隙水濃度及作物吸收趨勢。

對疏水性農藥而言，常以：

$$K_d\approx K_{oc}f_{oc}$$

表示，其中 $f_{oc}$ 為土壤有機碳分率。當土壤有機質由 $0.5\%$ 增至 $5\%$ 時，若以有機碳比例近似其變化，$f_{oc}$ 約增加十倍，因此 $K_d$ 也會大幅增加。

在土壤總濃度 $C_T$ 固定時，質量平衡可寫為：

$$C_T=C_w(\theta+\rho_bK_d)$$

因此：

$$C_w=\frac{C_T}{\theta+\rho_bK_d}$$

當 $K_d$ 增加，孔隙水濃度 $C_w$ 降低，根部可吸收的污染物量通常也隨之降低。

---

重金屬在耕作土壤中的遲滯機制與趨勢

1. 遲滯機制

重金屬離子會受到多種土壤成分共同影響：

• 黏土顆粒吸附與離子交換：黏土具有負電荷，可吸附陽離子型重金屬。
• 金屬氧化物表面吸附與表面錯合：鐵、鋁、錳氧化物可對重金屬產生強烈的專性吸附。
• 有機質錯合：腐植質含有羧基、酚羥基等官能基，可與重金屬形成有機金屬錯合物。
• 沉澱與溶解：重金屬可能形成氫氧化物、碳酸鹽、硫化物或磷酸鹽沉澱。
• 氧化還原及酸鹼度效應：土壤 pH、氧化還原條件及離子競爭，均會改變重金屬的溶解度與吸附強度。
• 溶解性有機質的移動作用：有機質增加時，也可能形成可溶性金屬—有機質錯合物，使重金屬重新進入孔隙水。

所以，有機質增加確實可能提高重金屬的固相保留與遲滯，但也可能因形成可溶性錯合物而增加重金屬在孔隙水中的移動性。

2. 作物濃度的變化趨勢

核心觀念

本題考查病毒的基本構造，以及病毒如何利用宿主細胞完成複製。病毒屬於非細胞型微生物，本身沒有完整的細胞構造與獨立代謝系統，不能自行攝取營養、產生能量或合成蛋白質，因此必須寄生於活細胞內繁殖。

病毒的完整感染性單位稱為病毒體（virion），主要由下列部分組成：

1. 核酸（genome） 病毒的遺傳物質，可為 DNA 或 RNA，型態可為單股或雙股。病毒核酸攜帶製造病毒蛋白質及複製新病毒所需的遺傳資訊。

2. 衣殼（capsid） 由許多蛋白質次單位組成，用以包覆並保護核酸，亦可協助病毒附著於宿主細胞。衣殼的基本蛋白質單位稱為衣殼粒（capsomere）。

3. 核衣殼（nucleocapsid） 核酸與衣殼合稱核衣殼，是許多病毒的基本核心構造。

4. 包膜（envelope） 部分病毒在核衣殼外具有脂質包膜，通常源自宿主細胞膜或細胞內膜系統。包膜上常帶有病毒特有的醣蛋白突起，稱為棘突（spike），可辨認並結合宿主細胞受體。具有包膜的病毒通常對乾燥、熱、酸鹼及有機溶劑較敏感。

5. 病毒酵素及其他蛋白質 某些病毒會攜帶繁殖所需的酵素，例如 RNA 病毒的 RNA 聚合酶、逆轉錄病毒的逆轉錄酶。部分病毒亦含有協助穿入、脫殼或抑制宿主防禦反應的蛋白質。

病毒外形可呈螺旋型、二十面體型、複合型等。以噬菌體為例，常具有頭部、尾部、尾鞘及尾纖維等構造。

解題方法

答題時可採用「構造先總述，再依感染週期說明繁殖」的方式：

• 構造部分：先指出病毒的本質，再依序說明核酸、衣殼、包膜與棘突。
• 繁殖部分：依照病毒感染細胞的先後順序，說明吸附、穿入、脫殼、生合成、組裝成熟及釋放。
• 補充部分：說明病毒不是以細胞分裂方式繁殖，而是利用宿主細胞的原料與代謝系統組合出新的病毒體；若題目要求完整性，可補充溶菌性循環與溶原性循環。

病毒的構造

一、核酸

病毒僅含有一種核酸，不能同時以 DNA 與 RNA 作為主要遺傳物質。依病毒種類不同，基因體可分為：

• DNA 病毒或 RNA 病毒；
• 單股核酸或雙股核酸；
• 線狀、環狀或分節段基因體。

核酸的主要功能包括：

• 儲存遺傳訊息；
• 指導病毒蛋白質合成；
• 作為新病毒基因體複製的模板。

二、衣殼

衣殼是包覆核酸的蛋白質外殼，具有下列功能：

• 保護病毒核酸免受外界環境破壞；
• 協助病毒附著於宿主細胞；
• 決定病毒部分外形與抗原特性；
• 協助病毒核酸進入宿主細胞。

衣殼由許多衣殼粒規則排列而成，具有高度組織化的結構。依排列方式，病毒可形成螺旋型、二十面體型或複合型。

三、包膜與棘突

包膜並非所有病毒都具有。包膜主要由脂質雙層及病毒醣蛋白構成，通常來自宿主細胞膜，病毒蛋白則嵌入包膜中形成棘突。

棘突可與宿主細胞表面的特定受體結合，因此決定：

• 病毒可感染哪些宿主；
• 可感染宿主的哪些細胞；
• 病毒的組織親和性。

無包膜病毒的外層主要為衣殼，通常比有包膜病毒更能抵抗乾燥、酸鹼變化及部分消毒環境。

四、其他構造

部分病毒具有病毒酵素、基質蛋白或其他輔助蛋白。例如：

• 某些 RNA 病毒攜帶 RNA 依賴性 RNA 聚合酶；
• 逆轉錄病毒攜帶逆轉錄酶；
• 噬菌體具有尾部構造，可協助將核酸注入細菌細胞。

病毒繁殖的過程

病毒繁殖一般可分為下列階段：

一、吸附（adsorption）

病毒表面的棘突、衣殼蛋白或噬菌體尾纖維，先與宿主細胞表面的特定受體結合。

此階段具有高度專一性。若宿主細胞沒有適合的受體，病毒即使接觸到細胞，也通常無法完成感染。因此，病毒的宿主範圍及組織親和性，與病毒表面蛋白和細胞受體的相互作用密切相關。

二、穿入（penetration）

病毒附著後，將病毒體或病毒核酸送入宿主細胞。方式依病毒種類而不同：

• 動物病毒可藉由膜融合、受體媒介胞吞等方式進入；
• 無包膜病毒可在細胞膜上形成孔洞，使核酸進入；
• 噬菌體通常將核酸注入細菌細胞，蛋白質外殼留在細胞外。

核心觀念

水質指標微生物（indicator microorganisms）是用來間接判斷水體是否受到人畜糞便污染，以及評估病原性微生物存在風險的微生物。由於病原菌、病毒及寄生蟲種類繁多，且部分病原體檢測困難，因此實務上以容易檢測的指標微生物代表糞便污染程度。

理想的水質指標微生物應具備下列條件：

1. 與糞便污染具有明確關聯 應大量存在於人類或溫血動物腸道及糞便中，且在未受污染的水體中不應出現，或僅有極低濃度。

2. 與病原微生物具有相同污染來源 指標菌與腸道病原菌應同時由糞便排入水體，因此指標菌的存在可反映病原污染風險。

3. 在糞便中的數量足夠多 濃度應高於多數病原菌，使其較容易被檢出，並能反映污染程度。

4. 不應在水體中大量繁殖 指標菌進入環境後，應主要呈現死亡或衰減狀態，避免因環境中自行增殖而高估污染程度。

5. 在環境中的存活特性應與病原菌相近 指標菌應能反映病原微生物在水中的輸送、存活及衰減情形；若指標菌消失速度遠快於病原菌，將低估健康風險。

6. 對污染具有一定的耐受性 應能在水處理、日照、溫度變化及其他環境壓力下存活一段時間，但不宜比病原菌過度耐受，否則無法正確反映污染狀況。

7. 不具致病性或對人體危害低 作為檢測指標的微生物本身不應造成明顯健康危害。

8. 容易培養、分離及鑑定 應能以簡單、快速、便宜且標準化的方法檢測，並可進行定量分析，以利水質監測及管理。

9. 檢測結果應具有代表性及重現性 指標菌濃度應與污染程度具有一定相關性，且不同時間、地點及檢測人員所得結果應具一致性。

解題方法

本題適合採用「先寫理想條件，再舉例說明實際應用」的架構：

1. 先定義水質指標微生物的功能：間接反映糞便污染及病原風險。
2. 再依序說明來源、數量、環境行為、檢測便利性及安全性。
3. 最後選擇兩種常見且具代表性的微生物，分別說明其指標意義與限制。

答題時不宜只列出「總大腸桿菌群、糞便大腸桿菌」名稱，必須進一步說明其為何可作為水質指標，以及其代表的污染意義。

例一：大腸桿菌（Escherichia coli, E. coli）

大腸桿菌是人類及溫血動物腸道中的常見菌，通常隨糞便大量排出，因此是判斷近期糞便污染的重要指標。

其指標意義如下：

• 糞便來源明確：主要存在於人類及溫血動物腸道。
• 數量多且容易檢測：在糞便中濃度高，可利用培養法、濾膜法或酵素受質法測定。
• 可反映近期污染：大腸桿菌通常不適合長期在一般水體中繁殖，檢出時多表示污染發生時間較近。

核心觀念

本題考查廚餘堆肥化的定義、適用原料、微生物分解機制，以及堆肥化操作條件與主要工法。答題時應掌握三個層次：

1. 廚餘堆肥化是以微生物進行好氧分解。
2. 廚餘原料須經分類、破碎及水分與碳氮比調整。
3. 堆肥化須控制氧氣、水分、溫度、酸鹼值及通風，使有機物穩定化並達到腐熟。

本題屬環境工程與生物處理技術題，無須援引特定法條；若涉及法規判定，應以命題當年（民國 110 年）法規為準。

解題方法

作答可依下列順序：

1. 先定義廚餘堆肥化。
2. 再列出可作為堆肥材料的廚餘，以及不宜混入的物質。
3. 說明廚餘堆肥化的微生物分解階段。
4. 最後介紹主要生物處理技術及操作控制條件。

此種寫法能完整涵蓋「原料—反應—操作—產品」四個命題重點。

一、廚餘堆肥化之定義

廚餘堆肥化是指將廚餘等可生物分解有機物，在適當的水分、氧氣、碳氮比及溫度條件下，利用微生物進行好氧分解，使易腐敗有機物轉化為二氧化碳、水、熱能及腐熟有機質的生物處理程序。

其主要反應可概念化表示為：

$$\text{有機物}+O_2 \rightarrow CO_2+H_2O+\text{熱能}+\text{腐熟有機質}$$

堆肥化的主要目的包括：

• 減少廚餘體積與重量。
• 降低臭味、病原菌及腐敗性。
• 使不穩定有機物轉化為穩定腐植質。
• 回收有機資源，製成土壤改良材料或堆肥產品。

廚餘堆肥化與厭氧消化不同。前者以氧氣充足的好氧微生物作用為主，主要產物為腐熟堆肥、二氧化碳、水及熱；後者在缺氧環境中進行，主要產生沼氣與消化污泥。

二、廚餘中可作為堆肥材料的物質

（一）主要可堆肥材料

經源頭分類後，以下物質適合做為堆肥原料：

• 剩飯、麵食、米飯及穀類。
• 蔬菜葉、菜梗、果皮、果肉及未腐敗水果。
• 豆類、豆渣及其他植物性食品殘渣。
• 茶葉渣、咖啡渣。
• 蛋殼。
• 少量肉類、魚類及骨骼等動物性廚餘。
• 適量木屑、稻殼、稻草、落葉、紙類纖維等含碳材料。

蔬菜、果皮及剩飯含水率通常較高，木屑、稻殼及落葉則可增加孔隙率與碳含量，因此實務上常將高含水廚餘與乾燥的結構性材料混合。

（二）不宜混入或應限制混入的物質

下列物質會降低堆肥化效率，甚至造成污染：

• 塑膠袋、保鮮膜、橡膠及合成纖維。
• 玻璃、金屬、石塊及陶瓷。
• 電池、化學品、油漆、清潔劑及其他有害物質。
• 大量食用油、油脂及高鹽分食品。
• 大量調味料、醃漬物及含防腐劑食品。
• 大量肉骨、魚骨及貝殼。

油脂過多會覆蓋微生物與物料表面，妨礙氧氣傳遞；鹽分過高會造成微生物抑制及堆肥成品鹽害；塑膠、玻璃及金屬則無法被微生物分解。

（三）前處理要求

廚餘進入堆肥系統前，應進行下列前處理：

1. 分類及去除雜質：移除塑膠、金屬、玻璃及其他不可分解物。
2. 破碎或切碎：增加比表面積，使微生物較易接觸有機物。
3. 調整水分：廚餘通常含水率偏高，須加入木屑、稻殼、乾葉等吸水材料。
4. 調整碳氮比：廚餘含氮量較高，應混合富含碳的材料。
5. 調整孔隙率：避免物料過度緊密，確保空氣能進入堆體。

三、廚餘堆肥化之重要控制條件

（一）碳氮比

微生物分解需要碳作為能源，也需要氮作為細胞合成材料。適宜的初始碳氮比約為：

$$C/N \approx 25\sim 30$$

廚餘通常含水量高、含氮量較高，碳氮比較低，應加入木屑、稻殼、乾葉或稻草等高碳材料。碳氮比過低容易產生氨味；過高則會使分解速度變慢。

（二）水分

適宜含水率約為 $50\%\sim 60\%$，一般可控制在 $50\%\sim 65\%$ 的範圍內。

• 水分過低：微生物活性降低，分解速率變慢。
• 水分過高：孔隙被水占據，氧氣供應不足，容易轉為厭氧狀態並產生硫化氫、胺類等臭味。

現場可用手握測試判斷：物料能成團但不應有水滴流出，鬆手後應能散開。

（三）氧氣與通風

堆肥化屬好氧處理，堆體內須保持適當孔隙及空氣交換。供氧方式包括：

• 定期翻堆。
• 利用自然對流通風。
• 由堆體底部鼓風。
• 以機械設備進行強制曝氣。

氧氣不足會使堆肥溫度下降、分解速度變慢，並產生臭味及厭氧性代謝產物。

（四）溫度

堆肥化通常經歷下列溫度階段：

1. 中溫階段：中溫性微生物分解易分解有機物，溫度逐漸上升。
2. 高溫階段：高溫性微生物大量繁殖，分解蛋白質、醣類及脂肪，並產生大量熱能。
3. 降溫階段：易分解物減少，微生物活性降低，溫度逐漸下降。
4. 熟化階段：腐植化作用持續進行，形成較穩定的腐熟堆肥。

高溫階段具有降低病原菌及蟲卵的作用，但溫度過高會抑制微生物，須藉翻堆或通風散熱。

（五）酸鹼值