113 高普考高考三級 環境檢驗 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

本題考的是好氧菌如何處理氧氣代謝時形成的活性氧物種（reactive oxygen species, ROS）。氧分子本身是絕對好氧菌有氧呼吸的末端電子接受者，但在電子傳遞或其他氧化還原反應中，氧若只接受部分電子，會形成具毒性的中間產物，例如超氧陰離子、過氧化氫及羥自由基。這些物質會氧化細胞內的蛋白質、膜脂質與 DNA。

絕對厭氧菌通常缺乏或只有很低量的相關防禦酵素，因此 ROS 容易累積並造成細胞損傷。絕對好氧菌則具有清除 ROS 的酵素系統，能在使用氧氣呼吸的同時，降低其毒性。

解題方法

依序說明主要 ROS 的生成與清除酵素，並寫出反應式，即可完整回答：

1. 超氧歧化酶（superoxide dismutase, SOD）將超氧陰離子歧化為過氧化氫與氧氣：

$2\mathrm{O_2^{\bullet-}}+2\mathrm{H^+}\xrightarrow{\mathrm{SOD}}\mathrm{H_2O_2}+\mathrm{O_2}$

2. 過氧化氫酶（catalase）將過氧化氫分解為水與氧氣：

$2\mathrm{H_2O_2}\xrightarrow{\mathrm{catalase}}2\mathrm{H_2O}+\mathrm{O_2}$

核心觀念

厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX）是微生物在缺氧條件下，以亞硝酸根作為電子受體，將銨離子氧化為氮氣的自營性脫氮反應。主要反應可用下式表示：

實際反應會伴隨少量硝酸根生成，常用的總反應化學計量式為：

因此，ANAMMOX 並非單純將銨與亞硝酸等莫耳轉為氮氣；部分亞硝酸會轉成硝酸，另有少量無機碳被同化成細胞物質。反應不需外加有機碳源，適合用於低碳氮比污水的生物除氮。

參與微生物族群特性

ANAMMOX 菌屬於浮霉菌門（Planctomycetota，舊稱 Planctomycetes），是專性厭氧、化能自營的細菌。它們以銨為電子供體、亞硝酸為電子受體，利用二氧化碳或碳酸氫根合成細胞物質，不仰賴有機碳作為主要碳源。

ANAMMOX 菌生長緩慢，世代時間長，對溶氧敏感；一旦進入含氧環境，活性會受到抑制。細胞內具有稱為厭氧氨氧化體（anammoxosome）的特殊區室，主要反應在其中進行。反應中會形成具毒性的聯氨（$\mathrm{N_2H_4}$）等中間物，細菌具有相應的代謝機制加以處理。由於菌體生長慢，工程操作須避免污泥流失，並維持足夠的污泥停留時間。

解題方法：從反應條件連結處理流程

都市污水常含銨態氮，而 ANAMMOX 需要銨與亞硝酸同時存在。實務上先以部分亞硝化將部分銨氧化成亞硝酸，再讓 ANAMMOX 菌利用剩餘銨與生成的亞硝酸產生氮氣。

核心觀念

PFAS 是「全氟及多氟烷基物質」的總稱，包含數千種人工合成含氟化合物，常見代表物包括全氟辛酸（PFOA）與全氟辛烷磺酸（PFOS）。其碳氟鍵鍵結強、化學穩定性高，許多 PFAS 不易在環境中分解，因而長期存在於水體、土壤及生物體內，常被稱為「永久性化學物質」。

「全氟」物質的碳鏈上氫幾乎或全部被氟取代；「多氟」物質則只有部分氫被氟取代。PFAS 常見於防油、防水、防污材料、食品包裝、塗料及消防泡沫等產品。

解題方法

本題分成三部分作答：先列出人體接觸 PFAS 的主要途徑，再整理已受關注的人體毒性表現，最後說明水樣的前處理、儀器分析及品質管制。毒性部分應以「研究顯示的關聯或可能影響」表述，避免將流行病學關聯寫成必然因果；檢測部分則要點出主流方法為固相萃取搭配液相層析串聯質譜。

一、主要暴露途徑

1. 飲食攝入：食用受污染的魚類、貝類及其他食物，或接觸受污染的食品包裝，是重要暴露來源之一。
2. 飲用受污染的水：工業排放、消防訓練或事故使用的消防泡沫、掩埋場滲出水等，可能造成地表水或地下水污染。
3. 消費性產品與室內環境：使用含 PFAS 的防水、防污或防油產品，或吸入、攝入含 PFAS 的室內灰塵；皮膚接觸也是可能途徑。
4. 職業暴露：從事含氟化學品製造、消防、電鍍或相關產品處理工作者，可能經吸入或皮膚接觸而暴露。

二、對人類的毒性表現

PFAS 的毒性會因化合物種類、暴露量、暴露時間及個體差異而不同。研究受到關注的健康影響包括：

• 血脂與代謝：與血中膽固醇升高及部分心血管代謝指標變化有關。
• 肝臟：可能影響肝功能指標或肝臟代謝。
• 免疫系統：部分研究指出可能降低疫苗抗體反應或影響免疫功能。
• 生殖與發育：孕期或兒童暴露可能與胎兒及兒童生長發育影響、生殖功能變化相關。
• 內分泌及其他系統：研究亦關注甲狀腺等內分泌影響。
• 癌症：部分 PFAS 的暴露與特定癌症風險受到研究關注，例如 PFOA 與腎臟癌、睪丸癌的關聯。

核心觀念

腐植質（humic substances）是土壤有機質中由植物、微生物等殘體分解與轉化形成的一群複雜有機物，並非單一化合物。其分子組成與結構會隨來源及分解程度而變化，常含有可與金屬離子作用的含氧官能基。

解題方法

本題分成兩部分作答：先說明腐植質的主要化學組成，再依水溶解度區分種類；最後以官能基及配位作用說明其與金屬離子形成複合物或螯合物的方式。

**主要化學成分：**腐植質主要由碳、氫、氧、氮組成，另含少量硫、磷等元素。結構中常見芳香環、脂肪族碳鏈及多種含氧官能基，包括羧基（$-\mathrm{COOH}$）、酚羥基（$\mathrm{Ar-OH}$）、醇羥基、羰基與甲氧基等。羧基與酚羥基是腐植質與金屬離子結合的重要位點。

依水溶解度分類：

**與金屬離子的複合／螯合反應：**腐植質的羧基及酚羥基可解離出質子，形成帶負電的含氧配位位點，再以氧原子的孤電子對與金屬離子配位。例如：

核心觀念

本題考雙質子弱酸的逐步解離平衡。碳酸的兩階解離為：

由題目給定：

由於 $K_{a1}\gg K_{a2}$，第一階解離主導氫離子濃度；第二階解離則產生極少量 $\mathrm{CO_3^{2-}}$。

解題方法

先將各平衡濃度以第一階解離量 $x$ 表示。由 $0.1\,\mathrm{M}$ 的 $\mathrm{H_2CO_3}$ 解離，近似有：

代入第一階解離常數：

因此：