110 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

$C_5H_7O_2N$ 是微生物細胞的經驗組成式，用來近似表示生質量（biomass）。它表示每形成一定量的細胞物質，平均含有碳、氫、氧與氮；因此可把微生物生長或分解轉換成元素與物質的衡算。

此式的式量為

其中含碳 $60$ g、氫 $7$ g、氧 $32$ g、氮 $14$ g。氮約占生質量 $14/113=12.4\%$，可用於估算微生物合成所需的氮量。

解題方法

本題詢問此經驗式可作為哪些環境微生物計算的依據，作答重點是說明它如何連結「生質量生成」與「元素需求、電子受體需求及產物生成」：

1. 微生物生質量與營養需求 由生質量生成量估算細胞合成所需的碳、氮等元素。例如生成 $113$ g 生質量，依此式約需 $14$ g 氮；實際計算仍須依題目採用的生質量基準與反應條件換算。

核心觀念

本題考的是高氨氮廢水的部分亞硝化—厭氧氨氧化法，簡稱 PN/A。此程序先在好氧條件下，將部分氨氮氧化為亞硝酸鹽；再在缺氧條件下，由厭氧氨氧化菌（anammox bacteria）利用亞硝酸鹽氧化剩餘的氨氮，並將氮轉化為氮氣。

傳統硝化—脫硝需要先把氨氮完全氧化成硝酸鹽，再以有機碳作為電子供體進行脫硝。PN/A 則不必完全硝化至硝酸鹽，也不需要額外投加有機碳，因此可減少供氧量與碳源需求。

解題方法

採用「先部分硝化、再厭氧氨氧化」的流程：

1. 部分亞硝化（partial nitritation） 在好氧反應槽中控制溶氧、污泥齡及操作條件，使氨氧化菌將部分氨氮氧化成亞硝酸鹽，同時抑制亞硝酸氧化菌，避免亞硝酸鹽繼續氧化成硝酸鹽。

$\mathrm{NH_4^+ + 1.5O_2 \rightarrow NO_2^- + 2H^+ + H_2O}$

核心觀念

本題考查水體垂直分層與微生物的生態棲位。不同深度的光合作用微生物組成，會隨著光照強度與光譜、溶氧與氧化還原狀態，以及可利用電子供體和營養物質的梯度而改變。能進行光合作用的微生物各有不同色素與代謝需求，因此適合生長的位置也不同。

水面通常光照較強、氧氣較充足，常見藻類、藍綠菌等進行產氧型光合作用的微生物。較深且缺氧的水層，若有硫化氫等還原性物質，則可能出現綠硫菌或紫硫菌等進行不產氧型光合作用的細菌。

解題方法

可依序比較不同深度的環境條件，並將條件連結到微生物的生理需求：

1. 光照強度與光譜：光會隨深度衰減，水中懸浮物與上層生物也會選擇性吸收不同波長。藻類、藍綠菌與光合細菌的色素及吸收波長不同，因此能利用的光源與最低光照需求不同。
2. 氧氣與氧化還原狀態：表層通常較富氧；深層或水體分層明顯處可能缺氧。產氧型光合作用者多分布於有光且氧氣較充足的水層；許多不產氧型光合細菌則適合缺氧環境。

核心觀念

薄膜過濾是利用多孔薄膜的孔徑與微生物粒徑差異，以物理方式將微生物自液體中分離。主要作用機制是篩除作用（size exclusion／sieving）：液體在壓力差或真空作用下通過薄膜，尺寸大於有效孔徑的微生物被截留在膜面或孔道內，較小的液體分子與溶質則隨濾液通過。

這是「去除」而非「殺滅」微生物。薄膜過濾本身不以化學反應或熱作用破壞微生物；被截留的微生物在適當條件下仍可能存活。

解題方法

作答時抓住「物理分離、孔徑截留、微生物留在膜上」三個重點即可：