113 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

重金屬不會像有機污染物一樣被生物完全分解成無害物質；其整治主要是利用生物吸收、累積、固定、轉化或促進移除。土壤中的重金屬總量，不能直接代表生物實際接觸或吸收的程度。

生物有效性是指土壤中的重金屬能被生物接觸、吸收、利用或造成毒害的程度。對植物而言，常指根系可吸收並轉運的部分；對土壤微生物及土壤動物而言，則指其可接觸、吸收並產生生理效應的部分。它會影響重金屬的毒性與生物復育成效。

重金屬在土壤中可存在於土壤溶液、交換態、吸附態、有機結合態、氧化物結合態及礦物晶格等形態。通常溶解態及較易解吸的部分較容易被生物利用；牢固結合於土壤固相的部分，短期生物有效性較低。

影響條件

1. 土壤 pH：通常 pH 降低會使多數陽離子型金屬較易溶解、脫附，增加生物有效性；較高 pH 常促進吸附或沉澱，降低其有效性。但不同金屬及其化學形態反應並不完全相同。

2. 氧化還原電位（Eh）：會改變金屬的價態及其化合物溶解度。例如，氧化還原條件改變可能影響鉻、砷、汞、鐵及錳的形態與移動性，進而改變其有效性。

3. 有機質與溶解性有機物：土壤有機質可透過官能基吸附或錯合金屬，降低游離金屬離子濃度；但溶解性有機配體也可能形成可移動的金屬錯合物，促進金屬遷移或吸收。

4. 黏土、鐵鋁氧化物與陽離子交換能力：這些土壤成分提供吸附及交換位點，通常可固定金屬、降低土壤溶液中的游離態濃度。土壤質地及吸附位點的數量、性質都會影響固定程度。

5. 金屬種類、價態及污染歷史：不同金屬的溶解度、吸附性及生物吸收途徑不同。污染物在土壤中經長期老化後，可能逐漸進入較穩定的固相，降低可解吸及可利用部分。

6. 土壤水分、溫度、鹽分與共存離子：水分及溫度會影響擴散、微生物作用與植物根系吸收；鹽分及其他離子可能競爭吸附位點或影響離子活度，也會改變金屬的移動及生物攝取。

解題方法與技巧

作答時先區分「總量」與「可利用部分」，再由土壤化學形態、土壤固相吸附、環境條件、生物本身四個面向列舉影響因子。不要將生物有效性簡化為「土壤中重金屬的濃度」；總濃度相同的兩種土壤，因 pH、氧化還原條件及結合形態不同，對生物造成的暴露與毒性可以不同。

（二）土壤重金屬污染的兩種生物復育方法

方法一：植物萃取（Phytoextraction）

核心觀念

本題考兩個連結的觀念：自由有效氯的酸鹼平衡，以及折點加氯氧化氨氮。次氯酸鈉溶於水後會形成次氯酸；真正影響消毒與氨氮氧化的，是水中有效氯的形態、濃度、pH 與接觸時間。

下文的「相同濃度」以相同有效氯投加量比較；實務上通常以 $\mathrm{mg/L\ as\ Cl_2}$ 表示。若以藥劑本身的質量濃度比較，因 HOCl 與 NaOCl 分子量不同，並不等於投加相同的有效氯。

（一）HOCl 與 NaOCl 的消毒效果及 pH 影響

1. 作用形態與酸鹼平衡

次氯酸鈉溶於水後，可用下列反應表示：

HOCl 解離為次氯酸根的平衡為：

其 $pK_a$ 約為 $7.5$。HOCl 的殺菌能力高於 $\mathrm{OCl^-}$，因此消毒效果取決於自由有效氯中 HOCl 所占比例。

2. 相同有效氯投加量下的比較

若兩種藥劑投加後，水中有效氯濃度、pH、接觸時間及其他水質條件相同，消毒作用主要由同一套 HOCl／$\mathrm{OCl^-}$ 平衡控制，效果可視為相近。NaOCl 並非以原形直接消毒，而是溶於水後形成 HOCl 與 $\mathrm{OCl^-}$。

不過，實際加藥時兩者常造成不同的水質變化：NaOCl 溶液呈鹼性，會提高水的 pH；HOCl 則不會像 NaOCl 一樣帶入鹼度。若 NaOCl 使水的 pH 升高，HOCl 比例下降，實際殺菌效果便可能較差。

3. pH 對消毒效率的影響

由 Henderson–Hasselbalch 關係：

當 pH 上升，平衡移向 $\mathrm{OCl^-}$，殺菌力較強的 HOCl 比例降低；當 pH 下降，HOCl 比例提高，消毒效率通常增加。因此，在其他條件相同時，較低 pH 通常有利於氯消毒。但實務操作仍須兼顧水質與管線條件，且需確認有效氯濃度及接觸時間足夠。

（二）以 HOCl 或 NaOCl 去除氨氮

核心觀念

本題考查核種衰變的判別、放射性活度的定義，以及一階衰變的速率常數與活度計算。

• $\alpha$ 衰變會使質量數減少 4、原子序減少 2。
• 放射性活度為單位時間內發生的衰變數，定義為 $A=-\dfrac{dN}{dt}=\lambda N$。
• 一階衰變的核種數量隨時間呈指數遞減：$N_t=N_0e^{-\lambda t}$；由半衰期可得 $\lambda=\dfrac{\ln 2}{t_{1/2}}$。

解題方法

（一）判斷衰變種類

衰變前後的質量數由 222 降為 218，減少 4；原子序由 86 降為 84，減少 2，符合放出一個 $\alpha$ 粒子（$^{4}_{2}\mathrm{He}$）的特徵：

因此是 $\alpha$ 衰變。

（二）說明 400 Bq 的意義

$1\ \mathrm{Bq}=1$ 次核衰變／秒。因此，氡氣活度為 400 Bq，表示每秒平均發生 400 次核衰變。活度描述衰變速率，不是核種數量本身。

（三）計算衰變常數

半衰期 $t_{1/2}=3.8$ 天。由半衰期關係：

兩邊除以 $N_0$ 並取自然對數：

若以秒為時間單位，$3.8$ 天 $=3.8\times 86{,}400=328{,}320$ 秒，因此：

核心觀念

本題考查氮循環中產生氮氣的兩條微生物途徑，以及如何把氨氮轉化成氮氣，並比較其在低碳氮比都市生活污水中的適用性：

1. 硝化—反硝化：先在好氧環境將氨氮氧化成硝酸鹽，再於缺氧環境以有機碳為電子供體，將硝酸鹽還原成氮氣。
2. 厭氧氨氧化（anammox）：以亞硝酸鹽氧化氨氮，直接生成氮氣；工程上通常先以部分硝化提供亞硝酸鹽，再由 anammox 菌完成反應。

題目所稱的兩條產氮氣途徑，是反硝化作用與厭氧氨氧化作用。硝化本身只將氨氮氧化成亞硝酸鹽或硝酸鹽，不會產生氮氣。

解題方法與反應式

一、反硝化作用

反硝化菌在缺氧條件下，以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子接受者，逐步還原成氮氣。以有機物簡式 $\mathrm{CH_2O}$ 表示電子供體，硝酸鹽反硝化的總反應式為：

反應中的 $\mathrm{CH_2O}$ 代表可生物分解的有機碳，不是特定單一化合物。工程上也可用甲醇、乙酸等作為碳源。

二、厭氧氨氧化作用

厭氧氨氧化菌（anammox bacteria）在缺氧、低有機碳條件下，以亞硝酸鹽氧化氨氮，主要反應可簡化表示為：

此簡式呈現氨氮與亞硝酸鹽生成氮氣的核心關係。實際生物程序中，亦會有菌體合成與少量硝酸鹽生成等反應。

三、兩套氨氮去除程序

（一）硝化—反硝化程序

程序通常設置好氧區與缺氧區，可採前置缺氧／好氧等配置：

1. 好氧硝化：硝化菌將氨氮氧化成硝酸鹽：

2. 缺氧反硝化：將好氧區生成的硝酸鹽回流至缺氧區，反硝化菌利用污水中的可利用有機碳，將硝酸鹽還原為氮氣。

這套程序以「先硝化、後反硝化」完成氨氮去除與總氮去除。硝化需要供氧；反硝化則需要缺氧環境及電子供體。

（二）部分硝化—厭氧氨氧化程序（PN/A）

程序先使部分氨氮在好氧條件下氧化為亞硝酸鹽，再使剩餘氨氮與亞硝酸鹽進入缺氧反應區，由 anammox 菌生成氮氣：

1. 部分硝化：控制硝化程度，使反應停留在亞硝酸鹽階段：

核心觀念

本題考查原核生物面對外界滲透壓改變時的滲透調節（osmoregulation），以及如何把細胞層級的耐鹽機制轉化為高鹽廢水生物處理的操作策略。

溶液滲透壓可用 van ’t Hoff 關係式近似表示：

其中 $\pi$ 為滲透壓，$i$ 為溶質解離所產生的粒子數因子，$C$ 為莫耳濃度，$R$ 為氣體常數，$T$ 為絕對溫度。外界鹽濃度上升會提高外界滲透壓，使細胞失水；外界滲透壓突然下降時，水則大量進入細胞。導電度可作為水中離子含量變化的監測指標，但受離子種類、溫度及其他溶解物影響，不能直接視為鹽度或滲透壓的等值量。

高鹽造成的影響不只有滲透壓變化，也包括特定離子的毒性與離子失衡。細胞須維持適當的細胞含水量、膨壓、酵素活性及胞內離子平衡，才能維持生長與代謝。

解題方法

依「外界鹽度上升時的反應、外界鹽度下降時的反應、反應所需代謝代價」說明細胞調節策略，再對應到廢水處理上的菌種、馴養、反應器操作及監測措施。這樣可同時涵蓋細胞生理機制與工程應用，並說明提升處理效能的原因。

原核生物的滲透調節策略

外界鹽度升高：快速反應與長期適應

外界鹽度升高時，水由細胞內移向細胞外，細胞體積縮小、膨壓降低；嚴重時會發生質壁分離、膜功能受損及代謝抑制。細胞通常分階段反應：

1. 快速累積無機離子 細胞可提高 $K^+$ 的攝取，以快速提高胞內溶質濃度、減少水分流失並恢復膨壓。此反應迅速，但過多無機離子會干擾蛋白質結構、酵素活性及核酸功能，因此通常不是多數細菌長期維持高滲透壓的主要方式。

2. 累積相容性溶質 細胞進一步合成或從外界攝取相容性溶質（compatible solutes／osmoprotectants），例如甘胺酸甜菜鹼（glycine betaine）、脯胺酸（proline）、海藻糖（trehalose）及某些多元醇。這些小分子可在胞內高濃度累積，同時較不干擾蛋白質與酵素運作；細胞因而能維持含水量與膨壓。若培養環境中已有可利用的相容性溶質，經由運輸系統攝取通常比自行合成節省能量。

3. 排出過量 $Na^+$ 並維持離子平衡 高鹽環境中的 $Na^+$ 可能造成離子毒性。細胞利用離子運輸系統將 $Na^+$ 排出，並維持適當的 $K^+/Na^+$ 比值及膜電位。若只累積離子而未控制胞內離子平衡，仍會妨礙代謝。

4. 表面與胞外基質調整 部分細菌會調整細胞膜、細胞壁或胞外聚合物（EPS）的組成。EPS可形成局部保護環境，協助細胞附著與形成生物膜，也能降低鹽度快速變化對細胞造成的衝擊。

另有部分極端嗜鹽微生物採取「鹽內型（salt-in）」策略，長期在胞內維持高濃度 $K^+$ 等無機離子；其胞內酵素與蛋白質已適應高鹽環境。一般活性污泥菌並非都適合此策略，應依水質與目標污染物選擇菌群。

外界鹽度降低：釋放溶質以避免細胞破裂