113 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

COD 與 BOD 都是以「氧當量」表示水中有機物造成的耗氧需求，單位通常為 $\mathrm{mg/L\ as\ O_2}$。COD 著重化學氧化可氧化物質的需氧量；BOD 則著重微生物分解可生物降解物質時的耗氧量。

（一）COD 與 BOD 的定義

• 化學需氧量（COD）：在規定試驗條件下，以化學氧化劑氧化水樣中可被氧化物質所消耗的氧化劑量，並換算成相當的氧量，以 $\mathrm{mg/L\ as\ O_2}$ 表示。COD 通常包含可化學氧化的有機物，也可能包含部分還原性無機物。
• 生化需氧量（BOD）：在規定溫度與培養時間下，水樣中可生物降解物質經微生物分解與氧化所消耗的溶氧量，以 $\mathrm{mg/L\ as\ O_2}$ 表示。常見指標為 $20^\circ\mathrm{C}$ 培養 5 日的 BOD$_5$。

（二）BOD 稀釋水的必要條件

稀釋水除須維持適當滲透壓外，還須符合下列條件：

1. 有足夠溶氧，供培養期間微生物消耗。
2. 含有適當營養鹽與無機鹽，如氮、磷及緩衝成分，以維持微生物生長與適當 pH。
3. 不含會抑制微生物的毒性物質，例如有毒金屬或消毒劑殘留。
4. 需有適當微生物種源；若水樣本身微生物不足，應接種適當菌種。

題目要求另列 3 項，列出其中任 3 項即可；實務上溶氧、營養鹽／緩衝能力及適當菌種都是確保試驗有效的重要條件。

（三）乙醇的理論需氧量

解題方法

先寫出乙醇完全氧化的平衡反應式，再依反應係數換算每莫耳乙醇所需的氧氣莫耳數，最後以乙醇濃度換算成氧氣質量濃度。

乙醇分子式為 $\mathrm{C_2H_5OH}$。完全氧化時，2 個碳形成 $2\mathrm{CO_2}$，6 個氫形成 $3\mathrm{H_2O}$：

核心觀念

本題考查酸雨的判定與環境危害，以及碳酸水溶液的酸鹼平衡。酸雨主要與燃燒排放的二氧化硫及氮氧化物有關；計算部分則以碳酸的兩階解離平衡與水的離子積求解。

（一）酸雨的定義

潔淨雨水會溶解大氣中的二氧化碳，形成弱酸性，平衡 pH 約為 $5.6$。通常將降水 pH 低於 $5.6$ 稱為酸雨；此處的降水包括雨、雪、霧及露等。

燃煤與汽機車排放的二氧化硫、氮氧化物進入大氣後，經氧化並溶於水，形成硫酸、硝酸等酸性物質，會使降水 pH 降低。

（二）酸雨的危害

1. 水域酸化：湖泊、河川及水庫的 pH 降低，可能傷害魚類、兩生類及水生無脊椎動物，並影響其繁殖與生長。
2. 土壤酸化：土壤中的鈣、鎂、鉀等鹼性陽離子被淋洗，降低土壤肥力；鋁、錳等金屬溶出增加，可能對植物根系造成毒害。
3. 森林及作物受損：酸性沉降可傷害葉片與根系，降低植物吸收養分的能力，並使植物更容易受乾旱、寒害及病蟲害影響。
4. 生態系改變：耐酸物種增加、對酸敏感物種減少，改變物種組成及食物網，降低生物多樣性。
5. 建築物與文化資產腐蝕：硫酸、硝酸會加速石灰岩、大理石及混凝土等含碳酸鈣材料的風化，也會腐蝕金屬表面。
6. 有害金屬移動增加：土壤酸化可能使鋁、鉛、鎘等金屬較易溶出或移動，增加其進入水體及食物鏈的機會。
7. 人體健康的間接影響：酸雨本身通常不是人體直接暴露的主要途徑，但其前驅污染物形成的硫酸鹽、硝酸鹽細懸浮微粒，會影響呼吸及心血管健康。
8. 能見度與水質影響：酸性氣膠及相關二次污染物可能降低能見度；酸化水體亦會影響供水水質與水處理需求。

（三）碳酸水溶液的 pH 與各成分濃度

解題方法

將碳酸視為二元弱酸，依序考慮兩階解離：

由題目給定：

初始總碳酸濃度為 $C=2.00\times10^{-2}\ \mathrm{M}$。因為 $K_{a1}$ 遠小於 $C$，第一階解離可用弱酸近似估算 pH；再用平衡式求出各成分濃度。水的自解離對本題結果可忽略。

1. 求氫離子濃度與 pH

第一階解離主要決定氫離子濃度。令解離出的氫離子濃度為 $x$，則：

弱酸近似下 $x\ll C$，因此：

核心觀念

微生物「生長」是指族群中細胞數或菌體量增加。以菌數判斷生長時，須先界定所量測的是可培養活菌數，還是樣品中的總細胞數：平板計數與最可能數法主要估算可生長的微生物；直接顯微鏡計數則可計入活菌與死菌，除非搭配活死菌染色。

解題方法

本題要求舉出三種「藉由量測菌數增加」的方法，並說明操作。作答可從培養計數、統計估算、直接觀察三種原理各異的方法切入；每種都交代樣品如何處理、如何計數，以及結果代表什麼。

一、平板活菌計數法（標準平板計數法）

將樣品作一系列適當倍數稀釋，取定量稀釋液塗布或混入培養基中，在適合的培養條件下培養。培養後，計數符合規定範圍的菌落數，再依稀釋倍數與接種體積換算原樣品的活菌濃度：

例如，將 $10^{-4}$ 稀釋液取 $0.1\ \mathrm{mL}$ 塗布，培養後得到 50 個菌落，則原樣品估計菌數為：

此法計得的是能在指定培養條件下形成菌落的單位（CFU）；一個菌落可能由單一細胞或細胞團形成，因此不一定等於單一細胞數。

二、最可能數法（Most Probable Number, MPN）

核心觀念

脂肪通常指三酸甘油酯（triacylglycerol），由一分子甘油與三分子脂肪酸形成酯鍵。脂肪水解後產生甘油與脂肪酸；甘油可轉成糖解作用的中間產物，繼續經糖解、丙酮酸氧化及檸檬酸循環分解。題目所問的是甘油完全好氧氧化的代謝途徑與 ATP 收支。

解題方法

（一）脂肪的結構式

甘油的三個羥基各與一分子脂肪酸形成酯鍵，通式如下：

其中 $R_1、R_2、R_3$ 為脂肪酸的烴鏈，三者可相同或不同。形成的三個鍵皆為酯鍵。

（二）甘油的好氧代謝與 ATP 計算

好氧菌可先以甘油激酶將甘油磷酸化，再由甘油-3-磷酸去氫酶氧化成磷酸二羥丙酮（DHAP）。DHAP 轉為甘油醛-3-磷酸後進入糖解作用，形成丙酮酸；丙酮酸再轉成乙醯輔酶 A，進入檸檬酸循環。過程中產生的 NADH、FADH$_2$，經電子傳遞鏈氧化磷酸化產生 ATP。

核心觀念

本題考查「生物性危害」的範圍，以及依病原體致病危害風險所作的危險群分級。判斷 RG 等級時，重點在病原體對個人及群體健康的危害、疾病嚴重程度，以及是否有預防或治療方法。

法規依據為《感染性生物材料管理辦法》第 3 條。以下分級以命題當年（民國 113 年）法規為準；現行法規已於民國 115 年修正，答題仍依命題當年的規定作答。

解題方法

先界定生物性危害，再依「危害程度、預防與治療可能性」排列 RG1 至 RG4。最後將各病原體對照其法規列名與典型分級。須注意，RG 是病原體的危險群分類；BSL 則是實驗室的生物安全等級，兩者相關但不相同。

（一）生物性危害之定義

生物性危害是指生物體或其產物，因具感染性、致病性、毒性或致敏性，可能對人體健康造成不良影響的危害因子。來源包括細菌、病毒、真菌、寄生蟲等微生物，以及其毒素、過敏原或其他具生物活性的物質。

危害的表現不只包括感染與傳染，也可能包括中毒、過敏反應，或其他健康損害；暴露途徑則可能包括吸入、攝食、經皮膚或黏膜接觸，以及針扎等。

（二）RG1–RG4 的定義