115 高普考高考三級 環境工程 環境化學與環境微生物學 考古題詳解
第 一 題25 分
某焚化廠排放之戴奧辛均勻沉降至三塊種植芋頭的農田。A、B、C 三塊農田的土壤有機質含量分別為 0.5%、2.5% 與 15%。假設三塊農田接受相同戴奧辛污染負荷，且其他土壤性質與栽培條件相近，請預測收成芋頭中戴奧辛濃度的高低順序，並從土壤有機質含量對疏水性有機污染物有效性與作物吸收的影響加以說明。
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核心觀念
本題考疏水性有機污染物在土壤中的分配，以及土壤有機質對污染物有效性與作物吸收的影響。戴奧辛具有高度疏水性，容易吸附於土壤有機質；吸附後留在土壤固相中的比例增加，土壤溶液中可供根系吸收的比例則降低。
土壤有機碳分配係數 描述污染物在土壤有機碳與水相間的分配。若其他條件相同，土壤吸附係數可近似表示為：
其中 為土壤－水分配係數， 為土壤有機碳分率。土壤有機質含量提高，通常會增加疏水性污染物的吸附，使其溶解態濃度及生物有效性下降。
解題方法
三塊農田承受相同戴奧辛污染負荷，且其他土壤與栽培條件相近，因此比較有機質含量即可判斷其相對有效性：
- A 田有機質最低，戴奧辛吸附位置較少，較多污染物可留在土壤溶液或以較易移動的形式存在，根系接觸與吸收機會較高。
- B 田有機質居中，戴奧辛吸附與固定程度居中，作物可利用量及吸收量也居中。
- C 田有機質最高，戴奧辛較多分配至土壤有機質，土壤溶液中的可利用濃度較低，芋頭吸收量相對較低。
第 二 題25 分
天然水體的 pH 緩衝能力常受碳酸鹽系統控制。一研究團隊於晴朗夏日的清晨，前往某含有豐富藻類與水生植物的湖泊量測水質，測得 pH 為 7.5，且湖水具有一定的總鹼度。
當團隊於午餐後再次檢測湖水時，請問湖水的 pH、總碳酸鹽濃度（total carbonate concentration）與總鹼度（total alkalinity）分別會降低、升高或近似維持不變？請從碳酸鹽系統及湖泊日變化的角度說明原因。
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核心觀念
本題考碳酸鹽系統的平衡、總無機碳與總鹼度的差異，以及藻類和水生植物的日間光合作用。
水中溶解無機碳主要以三種形態存在：
其中 代表溶解態二氧化碳與碳酸的合稱。總無機碳濃度（常稱總碳酸鹽濃度）為：
總鹼度則是水中接受氫離子的能力；在碳酸鹽系統占主導時，可近似表示為：
因此， 是各種無機碳物種的總量，總鹼度則反映酸鹼中和能力，兩者不能視為同一個量。
解題方法
晴朗夏日的午餐後仍有日照，藻類與水生植物的光合作用旺盛，會吸收水中的二氧化碳並將無機碳轉為有機物：
第 三 題25 分
傳統「硝化－脫硝」（nitrification–denitrification）廢水脫氮程序常面臨曝氣能耗高、外加碳源需求及碳排放增加等問題。近年來，新興生物脫氮技術，如部分亞硝化－厭氧氨氧化（partial nitritation–anammox, PN/A）程序，常倚賴生物膜或顆粒污泥中的「空間分層／功能分層」（spatial or functional stratification），以調控氨氧化菌（AOB）、亞硝酸鹽氧化菌（NOB）與厭氧氨氧化菌（Anammox bacteria）的相對活性與空間分布。
請回答：
(一) 何謂生物膜或顆粒污泥中的「空間分層／功能分層」？
(二) 為何此種分層與系統的曝氣強度及溶氧控制密切相關？
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核心觀念
本題考查生物膜或顆粒污泥內的氧與基質傳輸，以及不同脫氮微生物對氧氣需求的差異。空間分層是指氧氣與溶質由外向內擴散時形成濃度梯度，使生物膜或顆粒不同位置呈現不同氧化還原環境；功能分層則是指微生物依其生理需求，在適合的微區域占優勢並執行不同反應。
PN/A 系統的主要功能可概括為：
- **外層含氧區：**氨氧化菌（AOB）利用氧將部分氨氧化為亞硝酸鹽。
- **內層缺氧或無氧區：**厭氧氨氧化菌利用氨與亞硝酸鹽生成氮氣。
- **亞硝酸鹽氧化菌（NOB）：**會將亞硝酸鹽進一步氧化為硝酸鹽，與 PN/A 所需的亞硝酸鹽供應競爭，因此須抑制其活性。
解題方法
作答時先說明「傳質造成微環境梯度」，再依氧需求對應微生物的位置與作用，最後說明曝氣與溶氧如何改變氧氣穿透深度，進而影響各菌群的活性及脫氮效果。
氧氣通常由生物膜或顆粒表面向內擴散，同時被外層微生物消耗；若消耗速率高於向內傳輸速率，內部便形成低氧、缺氧或無氧區。氨與亞硝酸鹽等基質也會有濃度梯度，因此不同微區可形成不同反應條件。這些分層並非菌群被固定隔開，而是由傳質、反應速率及微生物生理特性共同形成。
（一）何謂空間分層／功能分層？
在生物膜或顆粒污泥中，溶氧及其他基質由外向內傳輸並遭消耗，造成位置間的濃度差異與氧化還原條件差異。微生物因而依其生理需求分布於不同微區，並在各自適合的位置執行特定反應，此即空間分層或功能分層。
典型 PN/A 分層如下：
- **表層含氧微區：**AOB 氧化部分氨並產生亞硝酸鹽。
- **內部低氧至無氧微區：**Anammox bacteria 利用氨及亞硝酸鹽進行厭氧氨氧化，產生氮氣。
第 四 題25 分
地下水受三氯乙烯（TCE）污染時，可利用生物復育進行整治。TCE 的微生物轉化主要包括好氧氧化與厭氧還原脫氯。請從微生物細胞能量學的角度，分別說明微生物如何參與 TCE 的好氧與厭氧轉化，並比較 TCE 在兩種途徑中分別扮演何種角色？
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核心觀念
本題考查微生物能量代謝中的「電子供體、電子受體與共代謝」，以及 TCE（三氯乙烯）在好氧氧化和厭氧還原脫氯中的不同角色。
微生物分解污染物時，判斷其是否能取得能量，關鍵在於該污染物是否參與能量代謝的電子傳遞：它可能是電子供體、電子受體，也可能只是被代謝酵素順帶轉化的共代謝物。
解題方法
分別依好氧、厭氧條件，追蹤電子流向及能量是否由 TCE 的轉化而來：
- 好氧途徑：確認氧氣作為終端電子受體、何種物質支持細胞生長，以及酵素如何轉化 TCE。
- 厭氧途徑：確認電子供體提供電子後，TCE 是否接受電子並參與微生物的呼吸產能。
好氧氧化：TCE 是共代謝物
在好氧環境中，微生物以氧氣作為終端電子受體，並利用甲烷、甲苯或氨等生長基質取得生長所需的碳源或能量。這些基質也會誘導產生單加氧酶等氧化酵素；酵素在處理生長基質時，能順帶氧化結構相近的 TCE。
TCE 經氧化後可能形成不穩定的中間產物，進一步轉化為較小分子或其他產物。此反應通常不會替微生物帶來足以支持生長的能量，因此稱為好氧共代謝。TCE 在此途徑中是被轉化的共代謝物，不是主要生長基質，也不作為能量代謝的終端電子受體。
厭氧還原脫氯：TCE 是電子受體
在厭氧環境中，特定微生物可進行有機鹵素呼吸。氫氣或其他可氧化基質提供電子，TCE 接受電子後，分子中的氯逐步被氫取代，形成二氯乙烯（DCE）等產物。典型的逐步脫氯序列為：