112 專技高考高等考試 環境工程技師 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

本題考查底泥中的鐵氧化物是否容易溶解，關鍵除了 $pH$，還包括環境的氧化還原狀態。$pH$ 相同時，單看氫氧化鐵的酸鹼溶解平衡，無法涵蓋底泥中鐵的氧化態轉變；若三價鐵被還原成二價鐵，固相氫氧化鐵便會溶解。

解題方法

河水上游段通常較受含氧河水影響；感潮河段底泥則常因有機物累積、耗氧及水體交換較弱而呈現較還原的環境。三價鐵氫氧化物在還原條件下可接受電子，轉變為較易溶解的二價鐵：

核心觀念

本題考的是雲中水蒸氣的質量濃度，可由飽和水蒸氣壓與理想氣體狀態方程式求得。雲中水蒸氣分壓取飽和水蒸氣壓 $P_{\mathrm{H_2O,SAT}}$，再將水蒸氣視為理想氣體：

因此水蒸氣質量濃度為：

其中 $M_{\mathrm{H_2O}}=18\ \mathrm{g/mol}$，$R=8.314\ \mathrm{Pa\cdot m^3/(mol\cdot K)}$。

解題方法

在 $273\ \mathrm{K}$ 時，飽和水蒸氣壓為 $6\ \mathrm{hPa}$。先換算壓力單位：

代入質量濃度公式：

核心觀念

土壤中的黏土礦物大多是母岩風化後形成的次生矽酸鹽礦物，主要由矽、鋁、氧及氫構成，常以含水鋁矽酸鹽表示。依結晶構造，可分為結晶質黏土、無定型物質，以及與有機質結合形成的有機—無機複合物。

結晶質黏土的基本構造單元是矽氧四面體層與鋁氧八面體層：

• 1:1 型：一層矽氧四面體層與一層鋁氧八面體層結合。
• 2:1 型：一層鋁氧八面體層夾在兩層矽氧四面體層之間。

兩種黏土的差異，主要來自層間結合方式、晶層膨縮程度與永久負電荷量，進而影響比表面積、離子交換及保水能力。

解題方法

先依題幹整理黏土礦物的三種存在型態，再比較 2:1 型與 1:1 型的構造與性質：

1. 礦物組成與型態：次生礦物以含水鋁矽酸鹽為主，可形成結晶質黏土；也有無定型物質，或與土壤有機質結合形成複合物。
2. 表面積：2:1 型黏土常具有較大的比表面積，部分晶層可膨縮，增加內部表面；1:1 型晶層間以氫鍵等作用緊密結合，內部表面較不易暴露。
3. 離子吸附能力：2:1 型黏土通常具有較高陽離子交換容量；1:1 型通常較低。兩者對陰離子的吸附不能單由「2:1 或 1:1」判定，會受到 pH、邊緣電荷及鐵鋁氧化物影響。
4. 保水能力：2:1 型通常保水能力較強；1:1 型晶層不易膨縮，保水能力相對較弱。

2:1 型與 1:1 型黏土比較

核心觀念

污泥消化是利用微生物分解污泥中的有機物，使污泥減量、穩定化，並降低腐敗與臭味。題目要比較好氧與厭氧消化中，微生物的電子受體、代謝途徑及主要產物。

解題方法

先依系統是否供氧區分代謝環境，再說明有機物如何被分解，以及各階段微生物的功能。好氧消化以氧作為末端電子受體；厭氧消化則由不同功能群接續分解有機物，最終形成甲烷與二氧化碳。

好氧消化的微生物代謝

好氧消化槽持續供氧，異營性微生物氧化污泥中的有機物，以氧作為末端電子受體，主要產物為二氧化碳、水及新生細胞。當易分解有機物逐漸耗盡，微生物會利用污泥中的細胞物質作為能源，進行內源呼吸，使細胞有機物進一步氧化分解，達到污泥穩定化與減量。

若系統中有硝化菌，氨氮也可被氧化：氨氧化菌將氨氧化為亞硝酸鹽，亞硝酸氧化菌再將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽。硝化作用消耗氧與鹼度，但不直接產生甲烷。

厭氧消化的微生物代謝

厭氧消化在無氧環境進行，不以氧作為末端電子受體。其有機物分解由不同微生物功能群接續完成，主要可分為四階段：

1. 水解：水解菌分泌胞外酵素，將蛋白質、碳水化合物及脂質等大分子，分解為胺基酸、糖類及脂肪酸等可溶性小分子。

核心觀念

本題考查的是：不先將環境微生物分離培養，如何直接從環境樣本中的核酸資訊，推定微生物的分類身分。這類方法稱為非培養法（culture-independent），可分析土壤、水體、污泥等混合樣本，涵蓋不易培養或尚未培養的微生物。

鑑定結果依證據強度分層表達：

• 屬名鑑定：序列或基因組資料足以支持其歸屬某一屬。
• 種名鑑定：資料能可靠區分該屬內不同物種，並能與可信的參考資料比對。
• 無法可靠到種：應停在屬、科等較高分類階層，不宜僅憑最相近的資料庫名稱強行定種。

細菌常用 16S rRNA 基因作為標記基因。其保守區適合設計廣效性引子，較具變異的區域則提供分類辨識資訊。不過，16S rRNA 基因的解析度受菌群而異，近緣種可能有幾乎相同的序列，因此「16S 相似度高」不等於「已證實為同一種」。

解題方法

可依下列流程說明如何由環境樣本取得分類結果。

一、採樣與核酸萃取

採取具代表性的環境樣本，萃取樣本中的總 DNA；若研究對象包含真核微生物，也可視目標採集 RNA，轉製成互補 DNA。環境樣本通常含多種微生物，因此萃取所得不是單一菌株的核酸，而是混合群落的核酸。

同時應設置萃取空白、PCR 陰性對照等，以監測試劑或操作污染，避免將污染序列誤認為環境微生物。

二、選擇標記基因或分析策略

常見的 16S rRNA 基因定序法：

1. 選擇適當的廣效性引子，擴增 16S rRNA 基因全部或部分區段。若要提高分類解析度，通常以較長序列或全長 16S 序列較有利。
2. 對 PCR 產物進行定序。混合樣本可採高通量定序，取得大量序列讀段。
3. 進行序列品質控制，去除低品質讀段、接合子與疑似污染序列，再進行去噪或序列聚類，形成 ASV 或 OTU 等序列單元。
4. 將序列比對至經整理的 16S 參考資料庫，例如 SILVA、RDP 或含模式菌株資訊的資料庫。
5. 綜合序列相似度、比對覆蓋度、參考序列品質及系統發育位置，判定分類階層。

ASV（amplicon sequence variant）代表經去噪後的精確序列變異單元；OTU（operational taxonomic unit）則是依設定的序列相似度門檻將序列聚成操作分類單元。兩者都是序列分析單元，不能直接視為正式的生物分類名稱。

宏基因組定序法：

若不只要鑑定群落中有哪些微生物，還要取得較完整的基因組資訊，可直接對樣本總 DNA 進行宏基因組定序，再將讀段組裝成 contig，並依序列特徵進行分箱，形成宏基因組組裝基因組（MAG）。之後可用多個基因、全基因組相似性及系統發育分析進行分類。

核心觀念

糖解作用（Glycolysis）是細胞質中將一分子六碳葡萄糖逐步分解為兩分子三碳丙酮酸的代謝途徑。此途徑不直接需要氧，因此在有氧與無氧條件下都能進行；但有氧時，丙酮酸通常進入後續氧化代謝，無氧時則可進行發酵以再生糖解作用所需的 NAD⁺。

糖解作用的重要性在於：它能快速提供 ATP，產生還原型輔酶 NADH，並提供丙酮酸及中間產物，供細胞進行後續能量代謝與生合成。

解題方法

作答時依「途徑定義 → 反應收支 → 細胞代謝功能」說明，即可完整回應題目。

糖解作用可分為兩個階段：

1. 能量投資階段：葡萄糖先消耗 2 分子 ATP，經一連串反應轉變為兩分子甘油醛-3-磷酸。
2. 能量回收階段：兩分子甘油醛-3-磷酸經後續反應生成兩分子丙酮酸，並產生 ATP 與 NADH。

每分子葡萄糖的總反應可寫為：

糖解作用共生成 4 分子 ATP、消耗 2 分子 ATP，因此每分子葡萄糖的 ATP 淨產量為 2 分子；另生成 2 分子 NADH。

糖解作用在細胞代謝中的重要性