108 高普考高考三級 環保技術 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

本題考氧化還原半反應的合併、自由能與標準電位的關係，以及以 Nernst 式推導 $pE$-$pH$ 邊界線。

對還原半反應

Nernst 式寫成 $pE$ 形式為

其中 $pE^0=FE^0/(2.303RT)$。當邊界上兩種含氯物種活度相等時，對數項為零。

（一）$HOCl/Cl^-$ 邊界線①

依掃描圖中的反應與數值，兩個半反應為：

相加後，$\mathrm{Cl_2(aq)}$ 消去，得到：

因兩個反應各轉移 $1$ 個電子，合併反應的標準電位是兩者的平均值；同理，$pE^0$ 也取平均：

代入 Nernst 式，$m=1$、$n=2$：

在 $HOCl/Cl^-$ 邊界上，兩者活度相等，因此：

題目給定的 $[\mathrm{Cl_2(aq)}]=10^{-4}\,\mathrm{M}$ 不影響這個合併後的半反應，因為 $\mathrm{Cl_2(aq)}$ 在相加時會消去。

（二）$OCl^-/Cl^-$ 邊界線②

題目給的 $K_a=10^{-7.5}$ 對應解離反應：

題目要求的是其逆反應，故自由能變號。由 $\Delta G^0=-RT\ln K$：

將逆向酸鹼反應與（一）的還原半反應相加：

核心觀念

本題考查碳酸系統的氣液平衡、溫室氣體的紅外線吸收，以及光子能量與反應焓的比較。

二氧化碳溶於水後，可先用亨利定律求溶解濃度，再以第一階解離平衡計算氫離子濃度。紅外光的莫耳能量由 $E=h\nu$ 換算；光子能量足以跨越反應焓時，依題目設定估算可分解的能量比例。

（一）$CO_2$ 飽和雨水的 pH

先由大氣中 $CO_2$ 分壓與亨利定律求溶解濃度：

第一階解離為：

令 $x=[H^+]$。忽略水的自解離，並假設初始水中沒有其他酸鹼物種，則：

代入 $K_{a1}=4.5\times10^{-7}$ 及 $[H_2CO_3]=1.394\times10^{-5}\,\mathrm{M}$：

取正根：

因此：

（二）非溫室氣體、紅外光能量與分解百分比

$O_2$、$N_2$ 為何不是溫室氣體

$O_2$ 與 $N_2$ 都是同核雙原子分子，其振動不會造成分子偶極矩改變，因而不吸收地球熱輻射主要所在的紅外光波段。相較之下，$CO_2$ 的振動模式會造成偶極矩改變，能吸收特定波長的紅外光，因此具有溫室效應。

$CO_2$ 的分解反應焓

以生成熱焓計算：

因此每莫耳 $CO_2$ 分解需要 $532.2\,\mathrm{kJ}$。

紅外光的莫耳能量

波長以公分表示，頻率為 $\nu=c/\lambda$。每莫耳光子能量為：

核心觀念

本題考查脂溶性毒化物的毒理指標與生物濃縮概念，以及利用生物體內濃度反推水中濃度。脂溶性物質容易由水進入生物脂肪組織，且不易排出，因此可在生物體內累積。

• 半數致死劑量（$LD_{50}$）：在特定實驗條件下，使受試生物有 50% 死亡所需的單次或短期給藥劑量，通常以每單位體重的劑量表示，例如 $\mathrm{mg/kg}$。$LD_{50}$ 越低，表示該物質在該測試條件下急性毒性越強。此指標受物種、暴露途徑及試驗條件影響。
• 生物濃縮因子（$BCF$）：生物體內某化學物質濃度與周圍水體中該物質濃度的比值，常表示為 $BCF=\frac{C_{\text{生物體}}}{C_{\text{水體}}}$ 分子與分母須採一致的濃度基準；若兩者以相同單位表示，$BCF$ 通常視為無因次。$BCF$ 越大，表示該物質由水相進入生物體並累積的程度越高。

解題方法

題目指出巴拉松的 $BCF$ 可視為與 $K_{OW}$ 相同，並提供 $\log K_{OW}=3.8$，因此先將對數值換算為分配係數：

鱒魚脂肪占體重 $5.0\%$，而 $22\,\mathrm{ppb}$ 是以體脂肪為基準的濃度。要用生物濃縮關係反推湖水濃度，先將脂肪中的濃度換算為以整尾魚體重為基準的濃度：

核心觀念

生物氣溶膠（bioaerosol）​是懸浮於空氣中的生物來源粒子，包含完整微生物、微生物的孢子或細胞碎片，以及生物來源的分泌物、代謝產物與其他有機粒子。它們可隨空氣傳播、沉降，也可能附著於塵粒或液滴上。

作答時要掌握兩個層次：一是列出「生物氣溶膠有哪些成分」；二是說明微生物進入空氣後，哪些環境條件及生物特性會影響其存活。生物氣溶膠的成分不一定具有活性，因此應區分可存活的微生物與非活性的生物來源物質。

解題方法

先依來源及性質整理成分，再依「環境造成的壓力」與「微生物抵抗壓力的能力」分析存活因素。如此可避免只列出溫度、濕度等名詞，卻沒有交代其影響方式。

一、生物氣溶膠的成分

1. 細菌及其形態：包括營養細胞、細菌孢子、細胞壁或細胞碎片。革蘭氏陰性菌細胞壁中的脂多醣可形成內毒素。
2. 真菌：包括黴菌孢子、菌絲碎片及其代謝產物；部分真菌可產生黴菌毒素。
3. 病毒：可存在於飛沫、氣膠粒子或其他生物性粒子中。
4. 其他微生物及繁殖體：如藻類、原生生物，以及植物花粉。
5. 其他生物來源粒子：植物或動物碎屑、皮屑、毛髮、昆蟲碎片、微生物毒素及過敏原等。

完整微生物與孢子可具有活性；內毒素、黴菌毒素、過敏原及細胞碎片則即使不具活性，仍可引起健康效應。

二、影響大氣微生物存活的因素

1. 相對濕度與乾燥：空氣水分會影響細胞脫水、滲透壓及粒子中溶質濃縮，因此濕度對存活的作用會依微生物種類及氣膠粒子的組成而異。乾燥可損傷細胞膜與蛋白質；能形成孢子或耐乾燥的微生物較能存活。不能簡化成「濕度愈高，存活率一定愈高」。

核心觀念

本題考查微生物在氮循環中的轉化作用。氮會在大氣、土壤、水體及生物體之間循環；多數轉化由微生物催化，使氮在不同氧化態與化合物間轉換。重要型態包括有機氮、氨／銨離子（$NH_3/NH_4^+$）、亞硝酸鹽（$NO_2^-$）、硝酸鹽（$NO_3^-$）及氮氣（$N_2$）。

解題方法

依氮的循環順序，說明各階段的微生物作用、反應方向及主要環境條件：

1. 固氮作用（nitrogen fixation） 固氮微生物以固氮酶將大氣中的氮氣還原為氨，供生物利用。固氮菌包括根瘤菌、固氮螺菌及部分藍綠菌。反應可概略表示為： $N_2 \rightarrow NH_3$ 固氮酶對氧敏感，固氮作用需消耗大量能量。

2. 同化作用（assimilation） 植物、藻類及微生物吸收$NH_4^+$或$NO_3^-$，將無機氮轉為胺基酸、蛋白質與核酸等細胞有機氮。動物則經由攝食取得有機氮。

3. 氨化作用（ammonification／mineralization） 分解者將生物遺體、排泄物及其他有機氮分解，釋出氨；在水中主要以$NH_4^+$存在。此作用使有機氮回到無機氮庫。 $\text{有機氮} \rightarrow NH_3/NH_4^+$

4. 硝化作用（nitrification） 好氧化能自營菌分兩階段將氨氧化為硝酸鹽： $NH_4^+ \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO_3^-$ 第一階段由氨氧化微生物進行，第二階段由亞硝酸氧化微生物進行；部分微生物可完成完整硝化。

核心觀念

非洲豬瘟病毒（African swine fever virus, ASFV）是造成非洲豬瘟的病原體，分類上屬非洲豬瘟病毒科（Asfarviridae）。它是大型、具囊膜的雙股 DNA 病毒，外形近似二十面體，主要在感染細胞的細胞質內複製。病毒主要感染家豬及野豬，對豬隻可造成嚴重疾病；非洲豬瘟不是人畜共通傳染病，ASFV 不會感染人類。

解題方法：由病原特性連結環境傳播

作答可依「病毒特性、傳播途徑、環境意義」三層說明。ASFV 可透過感染豬隻的血液、分泌物與排泄物，以及受污染的器具、車輛、飼料和豬肉製品傳播；硬蜱在部分地區也可作為傳播媒介。病毒在受污染的豬肉製品及環境物質中具有一定存活能力，因此環境污染與人為移動都可能促成疫情擴散。

環境上的意義

1. 畜牧與生態衝擊：​疫情可導致豬隻大量死亡及撲殺，影響畜牧生產、食物供應與地方經濟；野豬感染也會使防疫範圍延伸至野生動物與棲地管理。
2. 污染物與廢棄物管理：​屍體、血液、排泄物、墊料及受污染器材須依防疫規範處理。若處置不當，病原可能隨廢水、廢棄物或污染器具散布。
3. 防疫重點：​環境清潔消毒、場區分區管制、器具與車輛消毒，以及避免以含有未充分處理豬肉製品的廚餘餵豬，均可降低傳播風險。這題的環境意義在於病原能藉受污染的環境介質傳播，防疫必須兼顧動物、場區與廢棄物管理。

解題技巧

先辨明 ASFV 是病毒而非細菌，接著抓住「豬隻宿主、環境介質傳播、非人畜共通」三點，再說明對畜牧防疫、野生動物及污染物管理的影響。勿將「不感染人類」誤寫成「對環境沒有影響」。

（二）藻礁

核心觀念

藻礁是由具鈣化能力的藻類長期累積、膠結與礦化而形成的生物礁體，臺灣桃園海岸的藻礁以殼狀珊瑚藻等紅藻類為主要造礁生物。藻類在生長過程中將鈣質沉積於藻體，死亡後鈣化藻體與其他生物碎屑逐步堆積，形成富含碳酸鈣的礁體。