114 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
微生物防治常用的方法有消毒、滅菌、防腐等方式，並可用物理性及化學性的方法進行。請比較說明消毒、滅菌及防腐的異同處，並各舉例 2 個常搭配使用的物理性與化學性方法。
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核心觀念
本題考查消毒、滅菌與防腐的目的、作用程度及適用情境，並要求區分微生物防治的物理性與化學性方法。
- 消毒（disinfection）：以物理或化學方式殺死或去除多數病原微生物，降低感染風險；通常不保證殺死細菌芽孢。常用於環境表面、器具及飲用水處理。
- 滅菌（sterilization）：使處理對象中的所有微生物失去活性或被去除，包括細菌芽孢及其他抗性較強的微生物。常用於手術器械、培養基及實驗室器材。
- 防腐（preservation）：透過抑制微生物生長與繁殖，延緩食品、藥品或檢體腐敗；不一定殺死微生物，也不以達到無菌為目標。常見方式包括低溫、降低水活性及添加防腐劑。
解題方法
可依「處理目的、微生物控制程度、是否要求芽孢也被清除」比較三者：
| 方法 | 主要目的 | 控制程度 | 是否以殺死芽孢為目標 | 常見用途 |
|---|---|---|---|---|
| 消毒 | 降低病原微生物數量與感染風險 | 部分殺死或去除 | 通常否 | 環境表面、飲用水、非關鍵器具 |
| 滅菌 | 使處理對象達到無活微生物狀態 | 最徹底 | 是 | 手術器械、培養基、實驗器材 |
| 防腐 | 抑制生長繁殖、延緩腐敗 | 抑制為主 | 否 | 食品、藥品及檢體保存 |
第 二 題25 分
在水質穩定的環境水體中常有藻菌共生的穩定型態。請以碳循環的角度說明什麼是藻菌共生及其角色？又藻菌共生中常見的參與物種有哪些？
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核心觀念
藻菌共生是指藻類與細菌在同一水體或生物膜中互相提供生長所需物質，形成物質循環緊密的微生物群聚。從碳循環來看，關鍵是藻類固定無機碳，細菌則分解有機碳，兩者共同促進水體中的碳轉化與有機物質循環。
藻類行光合作用，利用光能將二氧化碳或碳酸氫根等無機碳轉化為細胞物質，並釋出氧氣：
細菌利用藻類分泌的溶解性有機物、藻體碎屑及死亡藻體作為碳源與能源，經呼吸或分解作用將有機碳轉化為二氧化碳及其他無機養分。藻類再利用其中的無機碳進行光合作用，構成「藻類固定無機碳、細菌分解有機碳」的互補關係。
解題方法
作答可沿著「碳的來源、轉化、回收」說明：
- **碳的固定：**藻類吸收水中無機碳，藉光合作用合成有機碳，形成生物量。
- **碳的傳遞：**藻類釋出的有機物，以及藻體碎屑與死亡細胞，提供細菌可利用的碳源。
- **碳的再生：**異營細菌分解或呼吸有機物，釋出二氧化碳等無機碳，回到水體供藻類利用。
因此，藻菌共生的角色是加速水體中的碳固定、轉移及再礦化，維持微生物群聚的物質循環；在水質穩定的環境中，這種互補關係有助於維持藻類與細菌的族群及代謝平衡。
第 三 題25 分
2050 淨零碳排為重要的國際趨勢，也已經入法成為臺灣的努力目標。其中以農林業的有機生質廢棄物產製生質能源來替代目前大量使用的化石燃料，被全球公認為具高潛力的碳中和方案。請以「製作比較表格」的方式說明微生物在自然界中參與碳循環的化學反應、各反應中微生物擔任的角色，及各反應的重要影響因子。
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核心觀念
本題考查自然界的碳循環：微生物如何透過固碳、分解、呼吸與厭氧代謝，使碳在大氣、植物、土壤、水體及沉積物間轉換。作答時應並列三項：化學反應、微生物的代謝角色、控制反應的重要環境因子。
生質廢棄物中的有機碳可由微生物轉化為甲烷、氫氣等能源，取代部分化石燃料；但甲烷若未回收而逸散，會增加溫室效應。因此，生質能源的碳效益取決於原料處理、能源回收及甲烷逸散控制。
解題方法
依碳循環的主要代謝途徑整理成比較表，從有氧環境的光合作用與呼吸作用，延伸至缺氧環境的發酵、厭氧呼吸及產甲烷作用；另納入甲烷氧化與碳酸鹽沉澱，呈現碳在氣體、溶解無機碳與固體有機物間的轉換。反應式以代表性式子表示，實際底物與產物會隨微生物種類及環境條件而異。
微生物參與碳循環之比較表
| 反應／代表性化學反應 | 微生物角色與碳的去向 | 重要影響因子 |
|---|---|---|
| 光合作用／自營固碳： | 藍綠菌等光合微生物利用光能固定 ，將無機碳轉為細胞有機碳，並釋出氧氣。化能自營微生物則利用化學反應取得能量，固定 合成生物質。 | 光照強度與時間、 供應、溫度、營養鹽（如氮、磷）、水分、酸鹼值及抑制性物質。 |
| 有氧呼吸／有機碳礦化： | 好氧異營微生物分解有機物並取得能量，使有機碳回到大氣或水體中的 ，是有機碳礦化的重要途徑。 | 氧氣供應、可利用有機碳的種類與濃度、溫度、酸鹼值、水分、營養平衡及微生物活性。 |
| 發酵（缺氧、不需外部電子受體）： | 發酵菌將有機物部分氧化，生成揮發性脂肪酸、醇、氫氣及二氧化碳；這些中間產物可再被其他厭氧微生物利用。 | 氧化還原狀態、底物種類與負荷、溫度、酸鹼值、停留時間，以及有機酸累積造成的抑制。 |
第 四 題25 分
在廢水生物處理程序中常見懸浮式與固定式的活性污泥法，請說明其異同處。污水場設計時的選擇依據與重要考量為何？
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核心觀念
本題考查廢水生物處理中，微生物以懸浮生長或附著生長的方式去除污染物，以及污水場如何依水質、場址與操作條件選擇處理程序。
嚴格而言，活性污泥法通常指懸浮生長系統；固定式系統則是生物膜法。兩者都是好氧生物處理的常見類型，核心差異在於微生物主要生長的位置與固液分離方式。
解題方法
可依「微生物生長型態、供氧與接觸、固液分離、操作特性」比較兩類程序，再從設計條件說明選擇依據。作答時也要指出固定生物膜系統未必需要傳統二沉池，因為不同固定式設備的生物膜脫落與分離方式有所不同。
懸浮式與固定式的異同
| 比較項目 | 懸浮式：活性污泥法 | 固定式：生物膜法 |
|---|---|---|
| 微生物型態 | 微生物形成污泥絮體，懸浮於混合液中 | 微生物附著在填料、濾材或載體表面，形成生物膜 |
| 污水與微生物接觸 | 由曝氣與攪拌使污水、污泥充分混合 | 污水流經或接觸載體表面，污染物擴散進入生物膜 |
| 供氧方式 | 常由曝氣設備直接向混合液供氧 | 依設備型式由空氣、水流或載體移動提供氧氣與接觸條件 |
| 固液分離 | 通常設置二級沉澱池，使污泥與處理水分離；部分污泥回流曝氣槽 | 生物膜增厚後會脫落，脫落污泥須由後續沉澱或其他固液分離設備去除；部分設備另有整合式分離設計 |
| 污泥操作 | 需控制污泥濃度、污泥齡與回流污泥量，並排除剩餘污泥 | 微生物附著於載體，系統通常不依賴同樣的污泥回流操作；仍須管理脫落生物膜與累積固體 |
| 負荷與控制 | 可藉由曝氣、回流、排泥及污泥齡調整處理狀況；操作控制項目較多 | 生物膜保留較長的固體停留時間，對操作變動常有一定緩衝；仍受負荷、供氧、堵塞與膜層狀況影響 |
| 空間與設備 | 需配置曝氣槽、沉澱池及回流設備，系統配置通常較完整 | 需配置載體與相關佈水、通風或清洗設施；所需空間依反應器型式而異 |
| 常見例子 | 傳統活性污泥法、完全混合式活性污泥法、氧化溝 | 生物濾床、滴濾床、轉盤生物接觸器、移動床生物膜反應器 |
兩類系統的共同點是利用微生物代謝分解或轉化污水中的有機物，並可透過適當設計去除特定營養鹽。實際處理效果都受水溫、溶氧、污染物負荷、毒性物質、營養比例及操作管理影響，且均須處理剩餘污泥或脫落生物膜所形成的固體。