109 高普考普通考試 環境檢驗 環境微生物學概要 考古題詳解
第 一 題25 分
厭氧消化程序最終的氣體產物包括甲烷、二氧化碳、硫化氫等。請先說明完整的厭氧消化程序包含哪些階段；接著說明甲烷生成菌群屬於原核生物中的細菌（Bacteria）或古菌（Archaea），以及可被甲烷生成菌利用以轉化成甲烷的碳源種類；最後說明何種微生物可應用在沼氣（即甲烷與二氧化碳）被當作燃料使用前的「脫硫」處理。
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核心觀念
本題考查厭氧消化的四階段分解流程、甲烷生成菌的生物分類與代謝基質，以及沼氣中硫化氫的生物脫除。厭氧消化是不同微生物群落接力分解有機物的過程；前段以細菌分解複雜有機物並產生中間產物，末段則由甲烷生成菌將特定基質轉為甲烷。
解題方法
依序掌握三個重點即可作答：先按有機物分解順序說明四階段；再指出甲烷生成菌的分類，並依其利用基質區分主要產甲烷途徑；最後辨認能氧化硫化氫的微生物類群。
一、厭氧消化的完整階段
- 水解（hydrolysis）：水解菌分泌酵素，將碳水化合物、蛋白質及脂質等大分子，分解成可溶性小分子，例如單醣、胺基酸及脂肪酸。
- 酸化（acidogenesis）：發酵菌將小分子進一步轉成揮發性脂肪酸、醇類、氫氣、二氧化碳及氨等產物。
- 乙酸化（acetogenesis）：產氫乙酸菌等將丙酸、丁酸等較高級揮發性脂肪酸轉成乙酸、氫氣及二氧化碳。
- 產甲烷（methanogenesis）：甲烷生成菌利用乙酸，或氫氣與二氧化碳等基質生成甲烷。此步驟是厭氧消化產生甲烷的關鍵末段。
常見反應可用來表示兩種主要產甲烷途徑：
二、甲烷生成菌的分類與可利用碳源
甲烷生成菌屬於原核生物中的古菌（Archaea），不是細菌（Bacteria）。雖然傳統名稱常稱其為「甲烷菌」或「產甲烷細菌」，但依現代生物分類，甲烷生成菌歸在古菌域。
主要可轉化成甲烷的基質包括：
第 二 題25 分
某地區的水田因受到偷排與灌排不分的影響，土壤所含的鎘濃度超過農地監測標準。當地農友打算利用「翻轉稀釋」及「提高肥料中硫酸鹽濃度」的農藝工法，讓土壤中的鎘以硫化鎘的型態沉澱，藉此降低稻作攝取到鎘的機率。
然而所施的肥料中，地號 A 的氮肥是硝酸銨 ，地號 B 則是尿素 。請從微生物學的觀點，預測並說明哪塊地收成的稻米將含較高濃度的鎘？
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核心觀念
本題考的是稻田淹水缺氧環境下，微生物進行硫酸鹽還原，以及氮肥型態對此作用的影響。硫酸鹽還原菌可在缺氧條件下利用硫酸根作為電子受體，將硫酸根還原成硫化物；硫化物再與鎘離子反應，形成溶解度低的硫化鎘沉澱，降低土壤中鎘的有效性：
硝酸根也是可被微生物利用的電子受體。在有硝酸根時，微生物可優先進行硝酸鹽還原等作用，競爭電子供體，抑制硫酸鹽還原菌的硫化物生成。因此，即使施入相同的硫酸鹽，硝酸根較多的土壤仍可能形成較少硫化物，讓較多鎘維持可移動、可被水稻吸收的型態。
解題方法
比較兩種氮肥施入土壤後提供的氮型態：
第 三 題25 分
生物復育工法（bioremediation）主要分成兩類：生物刺激法（biostimulation）與生物強化法（bioaugmentation，或稱生物增殖法、生物添加法）。請說明兩者的差異。
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核心觀念
本題比較生物復育的兩種操作策略，關鍵在於：是否向受污染環境額外加入微生物。
- 生物刺激法（biostimulation）：不以添加外來微生物為主要手段，而是調整現地環境條件，刺激原本存在的微生物族群生長與代謝，提升其分解污染物的能力。
- 生物強化法（bioaugmentation，又稱生物增殖法、生物添加法）：將具有目標污染物分解能力的微生物加入受污染環境，使分解作用得以發生或加速。
兩者都利用微生物的代謝作用降低污染物的濃度、毒性或環境風險；主要差異是生物刺激法著重改善環境條件，生物強化法著重補入特定微生物。
解題方法
作答時可從「處理對象」和「主要操作」分別比較：
| 比較項目 | 生物刺激法 | 生物強化法 |
|---|---|---|
| 主要對象 | 現地原有的微生物族群 | 加入的目標微生物 |
| 主要操作 | 改善限制微生物活動的環境條件 | 添加具分解能力的微生物 |
| 常見措施 | 補充氮、磷等營養鹽；調整氧氣供應、含水量、pH 或電子受體／供體 | 接種經篩選、馴化或培養的菌株或微生物群 |
第 四 題25 分
原核生物細胞內的遺傳物質除了可垂直轉移給繼代外，也可以進行跨物種的水平轉移，而此種水平基因轉移現象已知是細菌在臨床及環境中傳播抗生素抗性的主要途徑。請說明水平基因轉移的運作機制。
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核心觀念
本題考原核生物的水平基因轉移（horizontal gene transfer, HGT）：遺傳物質在同一世代的細胞之間移動，而非由親代傳給子代。水平轉移可使細菌迅速取得新性狀，例如抗生素抗性；常見機制有三種：轉形作用、轉導作用、接合作用。
解題方法
作答時依「DNA 從哪裡來、如何進入受體細胞」分類，分別交代供體、DNA 載體或傳遞方式，以及受體如何保留或表現該基因。抗藥性基因可位於染色體、質體或轉位子等可移動遺傳元件上，基因進入細胞後，若能複製維持或整合至染色體，便可能在受體中表現。
三種水平基因轉移機制
一、轉形作用（transformation）
細菌自環境中攝取游離 DNA。游離 DNA 常來自細菌死亡或細胞破裂後釋出的染色體片段或質體；具攝取能力的受體細胞將 DNA 帶入細胞內。DNA 若與受體染色體具有足夠同源性，可經同源重組整合；若為能自行複製的質體，也可在細胞內維持。
例如，環境中的細菌死亡後釋出抗藥性基因，另一細菌攝取該 DNA 並成功整合或維持質體，即可能獲得相應抗藥性。
二、轉導作用（transduction）
由噬菌體將細菌 DNA 從供體細胞帶至受體細胞。噬菌體感染細菌時，可能在組裝過程中誤將供體細菌 DNA 包入噬菌體顆粒；該顆粒再感染另一細菌，將所攜帶的 DNA 注入受體細胞。DNA 後續可藉重組整合，或以其他方式在受體中維持。
轉導可分為：