115 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

$16S$ rRNA 基因是細菌核糖體小次單元 RNA 的編碼基因，常用於細菌的分類與鑑定，主要有三項優點：

1. 普遍存在且功能保守：細菌都具有此基因，且其基本功能受到演化上的限制，因此不同細菌間可比較同一段基因序列。
2. 同時具有保守區與變異區：保守區可供通用引子辨識並進行 PCR 擴增；散布其中的高變異區則呈現不同菌群的序列差異，能用來區分與鑑定細菌。
3. 序列資料便於比較：將待測序列與已知資料庫比對，可推估其分類位置；透過序列相似度及系統發生分析，也能呈現不同細菌間的親緣關係。

解題方法

作答時掌握「普遍存在、序列可比、區域有別」三個要點：基因普遍存在，使其適合廣泛檢測；保守區提供共同的擴增位置；變異區提供辨識不同菌種或菌群的資訊。因此，$16S$ rRNA 基因可作為細菌的分子生物條碼。

核心觀念

本題考辨各列管溫室氣體的主要來源是否由微生物代謝直接產生。以命題當年（民國 115 年）《氣候變遷因應法》所列七類溫室氣體為準：$CO_2$、$CH_4$、$N_2O$、HFCs、PFCs、$SF_6$、$NF_3$。

就環境微生物學而言，主要由微生物活動造成的氣體是甲烷（$CH_4$）與氧化亞氮（$N_2O$）。$CO_2$也可由微生物呼吸及有機物分解產生，但其主要排放源包含化石燃料燃燒、工業製程及土地利用變遷等；本題問的是「排放源主要是因為微生物活動」，因此不列入答案。其餘含氟氣體主要來自工業製程或設備逸散。

解題方法

依氣體形成機制分類，再對應排放場域：

1. $CH_4$：產甲烷作用 在缺氧環境中，產甲烷古菌分解有機物或利用簡單碳源產生甲烷。主要排放場域包括水田、天然濕地及沼澤、反芻動物消化道，以及掩埋場、污水處理設施與厭氧污泥等有機廢棄物處理場域。

核心觀念

本題考查培養基中各成分的化學組成是否明確，以及培養基選擇如何配合培養、代謝研究與環境微生物分離的目的。

確定培養基（defined medium，也稱合成培養基）所含的化學成分與濃度都已知，例如葡萄糖、銨鹽、磷酸鹽及特定微量元素。研究者能清楚掌握微生物可利用的碳、氮、磷、硫及其他營養來源。

複雜培養基（complex medium，也稱非定義培養基）含有酵母抽出物、蛋白腖、肉汁或培養液水解物等成分。這些原料由多種化合物組成，批次間的確切成分與比例不完全已知，因此無法逐一列出所有化學物質及其濃度。

解題方法

可依序比較「成分是否明確」、「培養目的」及「研究者需要控制的程度」：

1. 若研究需要精確控制營養條件，或追蹤特定物質的利用與代謝產物，選用確定培養基。
2. 若目標是讓營養需求多樣、尚未完全掌握的微生物生長，選用含多種營養成分的複雜培養基。
3. 環境樣本中的微生物組成複雜，分離時須依目標微生物的生態與生理特性選擇培養基；兩類培養基都可使用，並非只能擇一。

培養與研究情境比較

核心觀念

本題考查三種濃度門檻的意義，以及「低於 MIC 不代表沒有選擇壓力」的環境抗藥性選擇機制。

• 最小抑制濃度（MIC, minimum inhibitory concentration）：在規定的培養條件與觀察時間下，能抑制可見微生物生長的最低抗菌劑濃度。它衡量的是生長抑制效果，不等同於殺菌濃度，也不表示低於此濃度時完全沒有生理影響。
• 最低選擇濃度（MSC, minimum selective concentration）：能使抗藥性族群相較於敏感族群取得相對適存優勢的最低濃度。高於 MSC 時，抗藥性族群即使在總族群仍能生長的情況下，也會因競爭優勢而逐漸增加。
• 最低有效濃度（MEC, minimum effective concentration）：引發可偵測生理、形態、基因表現或代謝反應的最低濃度。它描述可測得的生物反應門檻，不必然造成生長抑制，也不必然使抗藥性族群取得適存優勢。

三者所描述的終點不同：MEC 看「是否出現可測反應」、MSC 看「族群間是否出現選擇優勢」、MIC 看「是否抑制可見生長」。數值關係會隨微生物、藥劑、培養條件及測量方法而變，不能一概視為固定排序；尤其 MSC 可以低於 MIC。

解題方法

先依各門檻所測量的生物學終點區分定義，再由族群相對適存度解釋環境中的選擇。題目指出環境濃度常低於臨床或實驗室測得的 MIC，關鍵在於：MIC 是抑制可見生長的門檻，而自然選擇只須造成不同族群之間的繁殖或存活差異，並不要求敏感菌停止生長。

令抗藥性族群與敏感族群的相對適存度分別為 $w_R$ 與 $w_S$。當抗菌劑濃度使

即使兩者都能生長，抗藥性族群仍會逐代增加；造成此相對優勢的濃度可低於 MIC。

（一）MSC、MEC 與 MIC 的差異