113 高普考普通考試 環境檢驗 環境微生物學概要 考古題詳解

核心觀念

• 選擇性培養基（selective medium）：加入抑制劑或特定成分，抑制非目標微生物、促進目標微生物生長，用來從混合菌群中選出特定類群。例如含膽鹽的培養基可抑制部分革蘭氏陽性菌。
• 鑑別培養基（differential medium）：利用微生物在代謝或酵素活性上的差異，使不同菌種在同一培養基上呈現不同的菌落顏色、外觀或周圍變化，以區分菌種。
• 同一培養基可以兼具選擇與鑑別功能；「選擇」是限制哪些微生物生長，「鑑別」是比較已生長微生物的反應。

解題方法

濾膜法檢測大腸桿菌群時，將水樣經濾膜截留後，將濾膜置於培養基上培養，再依菌落的典型外觀判讀。題目關鍵不只在於培養基能否讓目標菌生長，也在於它能否藉菌落反應辨識大腸桿菌群，因此本題所問培養基的分類是鑑別培養基。

核心觀念

本題考查微生物將能量保存為 ATP 的三種主要方式：受質階層磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化。三者的差異在於能量來源，以及 ATP 形成時是否經由膜上的電子傳遞鏈與質子動力勢。

• 受質階層磷酸化（substrate-level phosphorylation）：高能磷酸基直接由代謝中間產物轉移至 ADP，形成 ATP；不需電子傳遞鏈或膜上的質子梯度。
• 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）：電子由還原型電子載體（如 NADH、FADH₂）進入電子傳遞鏈，釋出的能量建立跨膜質子動力勢，再由 ATP 合成酶製造 ATP。
• 光合磷酸化（photophosphorylation）：光能驅動光合色素中的電子傳遞，建立質子動力勢，供 ATP 合成酶製造 ATP。

解題方法

作答時可依「能量來源—ATP 形成方式—典型例子」逐一說明：

1. 受質階層磷酸化：能量來自有機受質的分解；由高能磷酸化中間產物直接將磷酸基交給 ADP。糖解作用中的磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶反應，以及三羧酸循環中的琥珀醯輔酶 A 合成酶反應，都是例子。

核心觀念

本題考查微生物固定化的定義與包埋法的操作原理，並要求說明固定化細胞應用於污水處理的優點。

微生物固定化，是將活細胞限制在特定空間或載體中，使其保有代謝活性，並可與處理水分離或留存在反應系統內。固定化常見方式包括吸附、共價鍵結、交聯及包埋；本題重點是包埋法。

解題方法：包埋原理

包埋法是將微生物細胞均勻分散於可形成凝膠的高分子溶液，再使高分子凝固成具有孔隙的凝膠珠或凝膠顆粒。細胞被物理性地困在凝膠網絡內，不易隨水流逸出。

常見包埋材料包括海藻酸鈉、聚乙烯醇及卡拉膠等。例如以海藻酸鈉包埋時，可將細胞與海藻酸鈉溶液混合，再滴入含鈣離子的溶液中，使鈣離子與海藻酸根形成凝膠珠。凝膠孔隙可讓水、基質、溶氧及代謝產物擴散通過，但細胞大多留在珠體內，持續進行生物反應。

因此，包埋的關鍵是：以多孔凝膠將細胞限制在一定體積內，同時保留物質傳輸與細胞代謝所需的條件。

應用於污水處理的優點

1. 提高生物量及污泥停留時間：細胞固定在載體內，不易隨出流水流失，因此可在反應槽中維持較高的有效菌量，並使污泥停留時間（SRT）與水力停留時間（HRT）不必完全綁定。

2. 有利於慢生長微生物留存：硝化菌等生長較慢的微生物，可藉固定化降低被沖出的風險，有助維持特定處理功能。

核心觀念

紫外線消毒是利用紫外線造成微生物遺傳物質損傷，使細胞無法正常複製與表現基因，達到失活效果。環境工程常用的殺菌波段為 UV-C，尤其約 $254\ \mathrm{nm}$ 的紫外線，可被 DNA、RNA 有效吸收。紫外線主要造成核酸中的相鄰嘧啶鹼基形成二聚體（常見為胸腺嘧啶二聚體），阻礙 DNA 複製及轉錄；當損傷超出細胞修復能力時，細菌即失去繁殖能力。

紫外線消毒的效果取決於紫外線強度與照射時間，常以紫外線劑量表示：

常用單位為 $\mathrm{mJ/cm^2}$。劑量越高，通常失活效果越好；但水中懸浮固體、濁度、色度、燈管結垢及遮蔽效應，均會降低微生物實際接受的劑量。

解題方法

本題分成兩部分作答：先說明紫外線如何使細菌失活，再舉出環境工程中的應用並交代其適用條件。機制應點明「核酸吸收紫外線—形成 DNA 損傷—抑制複製與轉錄—細菌失去繁殖能力」；應用則以污水放流消毒為主，並補充飲用水及空氣、表面消毒等用途。