109 高普考高考三級 化學安全 環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

題目考的是以 16S 核糖體 RNA 基因（16S rRNA gene）序列分析鑑定細菌群落。16S rRNA 基因普遍存在於細菌，功能重要、演化速度適中，且不同細菌間有高度保守區與可變區：保守區可供通用引子辨識並進行 PCR 擴增，可變區的序列差異則可用來判定分類親緣與菌種組成。

這類方法屬於「演化基因鑑定」：比較同源基因的 DNA 序列差異，推論微生物之間的演化親緣。若生物膜是混合群落，須以群落定序方式分析，不能只把 PCR 產物直接做單一菌株定序，否則多種序列會混在一起。

解題方法

以生物膜群落的 16S rRNA 基因擴增子定序為例，步驟如下：

1. 採樣與核酸萃取：刮取管壁生物膜，取得代表性樣本；裂解細胞並萃取總 DNA。生物膜含多種微生物，需注意取樣均勻性及 DNA 萃取效率。
2. 選定標的與引子：選取 16S rRNA 基因的一段或數段可變區，使用涵蓋範圍廣的通用引子。引子結合保守區，使不同細菌的標的片段得以共同擴增。
3. PCR 擴增：以萃取 DNA 為模板，經變性、引子黏合及延伸等循環，增加目標片段的數量。應設陰性對照，以檢查污染。
4. 定序：將混合群落的 PCR 產物製備成定序文庫，再以次世代定序等方法讀取大量片段序列。

核心觀念

批次培養是在固定培養基中接種微生物，不持續補充新培養基，也不移除培養液。隨著營養物質消耗、代謝產物累積，微生物族群會依序經歷遲滯期、對數期與穩定期。

判讀生長曲線時，須分清兩種縱軸：

• 微生物數目與時間的關係：觀察族群數目 $N$ 如何隨時間改變。
• 微生物生長速度與時間的關係：觀察數目變化率 $\frac{dN}{dt}$，或比生長速率 $\mu=\frac{1}{N}\frac{dN}{dt}$ 如何隨時間改變。

在對數期，細胞數近似指數增加：

其中 $N_0$ 為初始細胞數，$\mu$ 為比生長速率。

解題方法

分別說明各時期的細胞數變化與生長速度，再連結造成變化的培養條件，即可完整回答。

遲滯期（lag phase）

• 微生物數目—時間圖：細胞數大致維持不變，曲線較平坦；部分細胞可能死亡或分裂，但族群總數通常沒有明顯增加。
• 生長速度—時間圖：生長速度由低逐漸上升，初期接近零。
• 原因：微生物適應新環境，進行酵素合成、細胞修復及代謝調整。遲滯期長短受接種菌齡、接種量、培養基差異及環境條件影響。

對數期（log phase）

核心觀念

本題考查無氧環境中微生物的能量代謝分類，以及河川底泥的氧化還原分層。底泥深處缺乏氧氣，微生物仍可利用有機物或無機物取得能量，常見方式包括：

• 發酵：以有機物作為電子供體與電子受體，不以外加的末端電子受體進行呼吸。
• 厭氧呼吸：以無機物作為末端電子受體，例如硝酸鹽、硫酸鹽、二氧化碳或三價鐵。
• 專性厭氧代謝：只能在無氧條件下生長；不同微生物可採發酵或厭氧呼吸。
• 兼性厭氧代謝：有氧時進行有氧呼吸，無氧時改以發酵或厭氧呼吸取得能量。
• 耐氧型發酵代謝：不利用氧氣呼吸，但能耐受氧氣。

解題方法

題目已指定「沒有氧氣」，因此判斷重點是：微生物能否在無氧條件下生存，以及能否改用其他電子受體或發酵取得能量。河川底泥中的有機物分解會消耗氧氣，底泥深層常形成還原環境，故可找到多種無氧代謝型微生物。

典型代謝類群如下：

核心觀念

本題比較兩種消毒方式對微生物的作用機制：紫外線以光能破壞核酸，加氯則以含氯氧化劑氧化微生物的重要細胞成分。兩者都能使微生物失去繁殖或致感染能力，但作用途徑不同。

解題方法

分別從「消毒劑如何接觸微生物」及「微生物受損後如何失去活性」說明，並補充影響消毒效果的條件。

紫外線照射消毒

紫外線消毒主要利用 UV-C 波段的光能。水處理常用約 $254\ \text{nm}$ 的紫外線，微生物核酸吸收紫外線後，DNA 中相鄰的嘧啶鹼基會形成二聚體，常見者為胸腺嘧啶二聚體。此類損傷會妨礙 DNA 複製與轉錄，使微生物無法正常增殖，因而達到消毒效果。

紫外線消毒效果常以照射劑量表示：

實際效果會受到水中濁度、懸浮物、色度、燈管狀態及微生物距離光源等因素影響。懸浮物可能遮蔽微生物，使其未受到足夠照射。紫外線主要造成核酸損傷，不會在水中留下持續性的消毒餘效；部分微生物也可能透過光復活作用修復核酸損傷。

加氯消毒

氯加入水中後會形成次氯酸與次氯酸根離子。以游離氯為例，其主要反應可表示為：