112 地方特考三等 環境檢驗類科 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

本題考查兩種典型煙霧的污染來源、形成條件與主要化學性質，以及我國 AQI 所採用的六項指標污染物。判斷煙霧類型時，可抓住兩個關鍵：倫敦煙霧以燃煤污染與霧滴為主；洛杉磯煙霧以氮氧化物、揮發性有機物及陽光引發的光化學反應為主。

解題方法

（一）倫敦煙霧與洛杉磯煙霧的形成原因

1. 倫敦煙霧（硫酸型、還原型煙霧）

• **污染來源：**燃煤排放大量二氧化硫（SO₂）、煙塵及懸浮微粒；燃燒不完全也會產生一氧化碳等污染物。
• **形成條件：**常見於冬季，低溫、濕度高且有濃霧時；若風速弱或出現逆溫，污染物不易擴散，便累積在近地面。
• **形成過程：**SO₂溶於霧滴並進一步氧化，形成硫酸及硫酸鹽等二次污染物；這些物質與煙塵、霧滴混合，形成濃厚煙霧。
• **特徵：**屬於以燃燒排放和硫氧化物為主的煙霧，常見於陰冷、潮濕、日照弱的天候。

可用簡式表示主要轉化：

2. 洛杉磯煙霧（光化學煙霧、氧化型煙霧）

• **污染來源：**汽機車及工業燃燒排放氮氧化物（NOₓ）與揮發性有機物（VOCs）。
• **形成條件：**晴朗、日照強、氣溫較高且風速弱時，NOₓ 與 VOCs 容易在空氣中累積並受陽光驅動反應。
• **形成過程：**NO₂受光分解產生氧原子，氧原子再與氧氣結合形成臭氧（O₃）；VOCs參與反應並促進臭氧及其他氧化性二次污染物生成，例如過氧乙醯硝酸酯（PAN）和醛類。

核心觀念

本題考臭氧層的自然平衡循環，以及臭氧吸收紫外線的功能與人為破壞機制。平流層臭氧主要由氧分子吸收短波紫外線後生成，也會經由臭氧光解及與氧原子反應而自然消失；氯、溴等活性自由基則能催化臭氧分解，使臭氧耗損加劇。

解題方法

作答時先列出平流層臭氧的自然生成與消失反應，再說明臭氧層的防護作用，最後以「含氯、含溴化合物釋出自由基，催化臭氧轉化」解釋臭氧層破洞的成因。

（一）臭氧於平流層中的自然生成與消失

自然生成：

短波紫外線使氧分子光解為氧原子：

生成的氧原子再與氧分子結合形成臭氧；第三體 $M$ 可帶走多餘能量，使反應穩定進行：

此處 $M$ 通常是氮氣或氧氣等空氣分子。

自然消失：

臭氧可吸收紫外線而光解：

氧原子也可與臭氧反應，生成兩個氧分子：

上述生成與消失反應構成平流層臭氧的自然循環。臭氧濃度取決於生成與消失的相對速率。

（二）臭氧在平流層的作用及臭氧層破洞成因

平流層臭氧的作用：

核心觀念

亨利定律描述在一定溫度下，稀薄溶液中氣體的溶解濃度與該氣體在氣液界面的分壓成正比：

$[X(\mathrm{aq})]=K P_x$

其中，$[X(\mathrm{aq})]$ 為氣體在水中的平衡濃度（$\mathrm{mol/L}$），$P_x$ 為氣體分壓（$\mathrm{atm}$），$K$ 為亨利定律常數（$\mathrm{mol/(L\cdot atm)}$）。本題給定的常數採用此種「濃度與分壓成正比」的表示方式。

解題方法

先以道耳頓分壓定律求氧氣分壓。題目給的氧氣比例是乾空氣中的莫耳分率，因此須先扣除水蒸氣壓，求得乾空氣的總分壓，再乘上氧氣比例：

$P_{\mathrm{dry\ air}}=1-0.0313=0.9687\ \mathrm{atm}$

$P_{\mathrm{O_2}}=0.2095\times0.9687=0.20294\ \mathrm{atm}$

代入亨利定律，求得氧氣的莫耳濃度：

核心觀念

本題考查細胞呼吸中三個相連的代謝階段：

1. EMP 代謝（Embden–Meyerhof–Parnas pathway，糖解作用）：在細胞質中將葡萄糖分解成丙酮酸，產生少量 ATP 與 NADH。
2. TCA 循環（tricarboxylic acid cycle，三羧酸循環，又稱檸檬酸循環）：在真核細胞粒線體基質、原核細胞細胞質中，將乙醯輔酶 A 完全氧化為二氧化碳，並產生 NADH、FADH₂ 及少量 GTP／ATP。
3. 電子傳遞鏈（electron transport chain）：位於真核細胞粒線體內膜、原核細胞質膜，將 NADH、FADH₂ 提供的電子傳遞給最終電子接受者；有氧呼吸的最終電子接受者為氧氣。電子傳遞所釋出的能量建立質子梯度，供 ATP 合成酶製造 ATP。

三者的關係是：EMP 產生的丙酮酸經氧化脫羧形成乙醯輔酶 A，進入 TCA 循環；EMP 與 TCA 產生的還原型輔酶將電子送入電子傳遞鏈，推動氧化磷酸化合成 ATP。

解題方法與代謝流程圖

作答時依序畫出「碳流」與「電子流」：碳骨架由葡萄糖經丙酮酸、乙醯輔酶 A 進入 TCA 循環，最後以 CO₂ 釋出；NADH、FADH₂ 則把高能電子送至電子傳遞鏈，連結到 ATP 生成。

葡萄糖
 │
 │ EMP／糖解作用（細胞質）
 │ 淨產生 2 ATP、2 NADH
 ▼
2 丙酮酸
 │
 │ 氧化脫羧（連結反應）
 │ 產生 2 乙醯輔酶 A、2 NADH、2 CO₂
 ▼
2 乙醯輔酶 A
 │
 │ TCA 循環
 │ 產生 6 NADH、2 FADH₂、2 GTP／ATP、4 CO₂
 ▼
CO₂

EMP 與氧化脫羧、TCA 所產生的 NADH、FADH₂
 │
 ▼
電子傳遞鏈（真核細胞粒線體內膜／原核細胞質膜）
 │ 電子逐級傳遞，能量用於建立 H⁺ 電化學梯度
 ▼
ATP 合成酶：ADP + Pi → ATP
 │
 └── 有氧呼吸時，O₂ 接受電子及 H⁺，形成 H₂O

各階段說明

一、EMP 代謝

EMP 是葡萄糖分解的共同起始路徑。每分子葡萄糖經糖解作用形成兩分子丙酮酸，淨反應可概括為：

核心觀念

本題考查細菌與真菌所代表的兩大細胞型態：細菌是原核細胞，真菌是真核細胞。原核細胞沒有由核膜包圍的細胞核，構造較簡單；真核細胞具有細胞核及多種膜狀胞器。作答時應選擇五項具代表性的差異，逐項對照說明。

解題方法

以「細胞核、遺傳物質、胞器、核糖體、細胞分裂」等細胞構造與功能作為比較軸線。表格中左右欄保持一一對應，並避免將「所有真菌皆有某種型態」等不精確敘述當成差異。

核心觀念

本題考的是生物膜法與活性污泥法中，微生物生長、內源呼吸及污泥更新方式的差異。兩種方法都會產生剩餘污泥；在處理條件相近時，生物膜法的淨污泥產率通常較低。

污泥產量可用「微生物總生長量減去衰減與分解量」理解，常以觀察污泥產率 $Y_{\mathrm{obs}}$ 表示：

因此，生物膜法污泥較少的關鍵，不是微生物完全不生長，而是較多生物量在系統內經歷衰減、內源呼吸與再利用，且部分固體會自行脫落並被截留或分解。

解題方法

作答時從「淨污泥產量」切入，比較兩種系統中生物量的停留與更新情形：

1. 生物膜內有較長的固體停留時間 微生物附著於濾料或載體表面，生物膜可在系統內保留較久。膜內較老的微生物有時間進行內源呼吸，消耗自身細胞物質，使實際累積的生物量減少。

2. 生物膜內存在不同生理狀態的微生物 生物膜由外層至內層形成基質與氧的濃度梯度。外層微生物較活躍，內層則可能因基質或氧不足而生長較慢，並發生衰減、死亡及細胞物質分解。部分分解產物可再被其他微生物利用，降低淨生物量生成。