114 公務人員升官等薦任 環保技術 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

114 年・公務人員升官等・薦任・環保技術
試題代碼 環境化學與環境微生物學

第 一 題25 分

為何水中消毒所使用的「液氯」通常是偏鹼性？消毒效能是否會隨酸鹼度（pH）變化？

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核心觀念

本題考查氯系消毒劑在水中的化學形態，以及酸鹼度對消毒效能的影響。解題時須先分清「液氯」的名稱：嚴格而言，液氯是加壓液化的氯氣（Cl2\mathrm{Cl_2}）；實務上有時也把液態次氯酸鈉（NaOCl\mathrm{NaOCl}，俗稱漂白水）稱作液氯。兩者的酸鹼特性不同。

液氯本身是純物質，沒有水相，因此不能直接以 pH 值描述；氯氣溶於水後會形成酸性物種。若題目所稱「偏鹼性」是指供應的次氯酸鈉溶液，則其偏鹼性來自製程或添加的氫氧化鈉，且有助於穩定藥劑、減少分解。

解題方法

先判斷氯劑溶入水後形成哪些有效氯，再以酸解離平衡說明 pH 對其比例的影響。

氯氣溶於水：

Cl2+H2O⇌HOCl+H++Cl−\mathrm{Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HOCl + H^+ + Cl^-}

此反應產生氫離子，會使水的 pH 降低。因此，若「液氯」嚴格指液化氯氣，不能說它本身通常偏鹼；其加水後也不是因溶解而使水偏鹼。

次氯酸鈉溶於水：

NaOCl+H2O⇌HOCl+Na++OH−\mathrm{NaOCl + H_2O \rightleftharpoons HOCl + Na^+ + OH^-}

商用次氯酸鈉通常以鹼性條件保存，以減緩有效氯分解；加入水中後，亦可能使水的 pH 上升。這才是「液態氯劑偏鹼性」常見的來源。

水中的次氯酸會進一步解離：

HOCl⇌H++OCl−\mathrm{HOCl \rightleftharpoons H^+ + OCl^-}

次氯酸的 pKapK_a 約為 7.5。依 Henderson–Hasselbalch 關係：

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第 二 題25 分

在自來水水質指標中，判斷消毒效能的生物性指標及判斷糞便污染的指標分別為何？請說明原理及檢測方法。

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核心觀念

題目要辨認兩種用途不同的細菌性指標：

  • 評估消毒效能：總菌落數（Total Bacterial Count，亦稱生菌數或異營菌落數）。它反映水中在規定培養條件下可生長的細菌數量，可用來評估消毒處理及配水管網的微生物狀況；菌落數偏高時，表示消毒或管網管理可能不佳，但不能直接等同於存在腸道病原菌。
  • 判斷糞便污染：大腸桿菌群（Coliform group）。這群細菌常見於人與動物腸道，也可存在於環境中；在飲用水中檢出，代表可能有糞便污染，並提示其他腸道病原微生物存在的風險。它是糞便污染的指示菌，並非每一種大腸桿菌群都必然來自糞便。

依命題當年（民國 114 年）《飲用水水質標準》第 3 條，細菌性標準為大腸桿菌群每 100 毫升不超過 6 MPN（多管發酵法）或 6 CFU（濾膜法）；總菌落數每毫升不超過 100 CFU，且總菌落數的採樣地點限於有消毒系統之水廠配水管網。113 年 11 月修正的部分規定自 116 年 7 月 1 日起施行，故本題仍依命題當年已施行的規定作答。

解題方法與檢測原理

先按指標的用途區分：以「消毒後一般細菌是否受到控制」為判斷方向，答案是總菌落數；以「水是否受糞便污染」為判斷方向，答案是大腸桿菌群。再說明各自的培養計數方法與判讀單位。

  1. 總菌落數：評估消毒效能

以水中能在指定培養基、溫度及時間條件下生長並形成菌落的細菌作為計數對象。可採混合稀釋法：將適量水樣與培養基混合，凝固後培養，計數可辨識的菌落；依接種水樣體積及稀釋倍數換算為 CFU/mL。水樣菌數較低時，亦可採濾膜法，將定量水樣通過濾膜，使細菌留在膜上，再將濾膜置於培養基培養並計數。

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第 三 題25 分

在一座接受民生污水的人工濕地系統中，研究人員為評估污染物去除過程中的微生物群落變化，採集不同處理區位的樣本進行分子分析，結果顯示上游（接近進流水）以 Proteobacteria、Bacteroidetes 為主，下游則以 Nitrospirae、Planctomycetes 為主。研究人員同時應用了 16S rRNA 高通量定序與 qPCR 技術。請回答：

(一) 試說明濕地中微生物群落組成與多樣性如何受環境因子（如溶氧、營養鹽、pH、植物根系分泌物）影響，並解釋為何沿處理流程方向會出現菌相更替（microbial succession）。（10 分）

(二) 請比較 16S rRNA 定序與 qPCR 在微生物生態研究中的分析原理與產出資料的差異，並說明若要同時評估菌群結構變化與功能基因（如 amoA、nirS）表現，應如何應用這兩種技術。（10 分）

(三) 若在分析結果中發現濕地中反硝化功能基因豐度上升，但總氮去除效率卻未明顯提高，試提出兩種可能的生態或操作性原因。（5 分）

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核心觀念

本題考查人工濕地的微生物群落如何隨環境梯度改變，以及 16S rRNA 定序與 qPCR 在微生物生態研究中的用途。判讀時要區分三個層次：群落的分類組成、特定微生物或功能基因的豐度，以及功能基因是否實際表現並形成污染物去除效果。

人工濕地沿水流方向會形成溶氧、可利用碳源、氮磷濃度與氧化還原狀態等環境梯度。這些條件會篩選適合生長的微生物，造成菌相更替；但僅憑菌群或基因豐度，不能直接推定實際代謝速率或處理效率。

解題方法

依序回答三個問題：

  1. **群落為何改變：**將溶氧、營養鹽、pH、根系分泌物等因子，連結到微生物的生理需求與棲位選擇，再說明沿流程的環境梯度如何引發菌相更替。
  2. **兩種分子技術有何差異：**16S rRNA 定序主要描述細菌與古菌的分類群落結構；qPCR 則以特定引子定量目標 DNA 序列。
  3. **為何基因增多但去除率未提高：**區分「基因存在或豐度」與「基因表現、酵素活性及整體系統條件」，並提出生態或操作上的限制因素。

（一）環境因子與菌相更替

微生物群落的組成與多樣性，會受下列因子共同篩選：

  • **溶氧與氧化還原狀態：**溶氧較高的區域有利於好氧異營菌及硝化菌；缺氧或厭氧微區則有利於反硝化菌、發酵菌等。濕地基質內常同時存在不同氧化還原微區，使多種代謝途徑得以並存。
  • **營養鹽與有機物：**進流水通常帶入較多可分解有機物及氮、磷，可供異營菌利用。碳源及氮形態隨處理而變化，會改變各類微生物的競爭優勢。資源種類較多時，可支持較多生態棲位；但若某種資源過度優勢，也可能使少數菌群占優。
  • **pH：**pH 影響微生物酵素活性、細胞生理及營養物質的可利用性。各類微生物具有不同適宜範圍，pH 改變會影響其生長及群落組成。
  • **植物根系分泌物與根系輸氧：**根系分泌的有機酸、糖類等可作為微生物碳源，也會選擇性支持特定菌群；部分植物根系可將氧輸送至根圈，形成局部好氧環境，與周圍缺氧基質共同形成微尺度棲位。

沿處理方向，上游接近進流水，有機物與營養鹽負荷較高，常有大量利用易分解有機物的異營菌，因此題示的 Proteobacteria、Bacteroidetes 可作為此類環境的代表性優勢類群。水流經處理後，可利用有機物與部分營養鹽逐步降低，溶氧及氧化還原條件也可能改變；下游菌群因而受到不同資源與微環境篩選。Nitrospirae 中的部分微生物參與亞硝酸氧化等硝化過程，Planctomycetes 中則有部分類群具厭氧氨氧化能力；題示菌相可反映下游較適合相應氮轉化功能的環境。

這種因底物耗減、氧化還原條件改變、競爭與棲位篩選所造成的沿程群落變化，即為微生物群落更替（microbial succession）。它是處理流程中環境梯度持續作用的結果，並不表示下游必然具有較高多樣性。

（二）16S rRNA 定序與 qPCR 的比較及應用

比較項目16S rRNA 高通量定序qPCR
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第 四 題25 分

某座山區水庫之原水受石灰岩地層影響，水中主要離子為：Ca2+=40 mg/LCa^{2+}=40\ \mathrm{mg/L}、HCO3−=100 mg/LHCO_3^-=100\ \mathrm{mg/L}、pH = 7.8、溫度 25°C。

(一) 試說明該水體的酸鹼緩衝系統主要受哪一對共軛酸鹼對控制？並寫出其平衡反應式。（5 分）

(二) 若該水體與大氣中 CO2CO_2（分壓 3.5×10−4 atm3.5\times10^{-4}\ \mathrm{atm}）達平衡，請以亨利定律與碳酸平衡常數（K1=4.5×10−7K_1=4.5\times10^{-7}、K2=4.7×10−11K_2=4.7\times10^{-11}）推算此時水體的理論 pH 值，並說明造成實際量測值偏高的可能原因。（10 分）

(三) 試說明此水若經曝氣處理後 pH 的變化，並說明此變化對硬度與碳酸鹽沉澱的影響。（10 分）

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核心觀念

本題考查石灰岩地層水體的碳酸鹽緩衝系統、亨利定律與碳酸平衡，以及曝氣造成的二氧化碳逸散與碳酸鈣沉澱。

溶於水的二氧化碳常以 CO2∗CO_2^* 表示，代表 CO2(aq)CO_2(aq) 與少量 H2CO3H_2CO_3 的合稱。主要平衡為：

CO2∗+H2O⇌H++HCO3−CO_2^*+H_2O\rightleftharpoons H^++HCO_3^- HCO3−⇌H++CO32−HCO_3^-\rightleftharpoons H^++CO_3^{2-}

在一般天然水的 pH 範圍內，主要緩衝對是 CO2∗/HCO3−CO_2^*/HCO_3^-；當 pH 上升時，HCO3−/CO32−HCO_3^-/CO_3^{2-} 的作用也會增加。

解題方法與計算

（一）主要緩衝系統

此水受石灰岩影響，含有較多 Ca2+Ca^{2+} 與 HCO3−HCO_3^-。水中二氧化碳溶解後形成碳酸系統，主要由 CO2∗CO_2^* 與 HCO3−HCO_3^- 共軛酸鹼對調節 pH：

CO2∗+H2O⇌H++HCO3−CO_2^*+H_2O\rightleftharpoons H^++HCO_3^-

當水中加入酸，HCO3−HCO_3^- 可消耗 H+H^+；加入鹼時，CO2∗CO_2^* 可消耗 OH−OH^-。因此這組平衡能抑制 pH 大幅變動。

（二）與大氣二氧化碳平衡時的理論 pH

先以亨利定律求大氣二氧化碳在水中的平衡濃度：

[CO2∗]=KHpCO2[CO_2^*]=K_Hp_{CO_2}

25°C 時取 KH=3.4×10−2 mol L−1 atm−1K_H=3.4\times10^{-2}\ \mathrm{mol\,L^{-1}\,atm^{-1}}，代入 pCO2=3.5×10−4 atmp_{CO_2}=3.5\times10^{-4}\ \mathrm{atm}：

[CO2∗]=(3.4×10−2)(3.5×10−4)=1.19×10−5 mol/L[CO_2^*]=(3.4\times10^{-2})(3.5\times10^{-4}) =1.19\times10^{-5}\ \mathrm{mol/L}

若把這個由大氣二氧化碳形成的水視為未受石灰岩鹼度緩衝的稀水，忽略水的自解離及第二解離，則由第一解離平衡：

K1=[H+][HCO3−][CO2∗]K_1=\frac{[H^+][HCO_3^-]}{[CO_2^*]}

在電荷平衡近似下，[H+]≈[HCO3−][H^+]\approx[HCO_3^-]，故：

[H+]≈K1[CO2∗]=(4.5×10−7)(1.19×10−5)=2.31×10−6 mol/L[H^+]\approx\sqrt{K_1[CO_2^*]} =\sqrt{(4.5\times10^{-7})(1.19\times10^{-5})} =2.31\times10^{-6}\ \mathrm{mol/L} pH=−log⁡[H+]≈5.64\mathrm{pH}=-\log[H^+]\approx5.64

這是未納入石灰岩溶解與既有鹼度的理論基準。題示實測 pH 7.8 高於此值，主要原因是石灰岩溶解提供 Ca2+Ca^{2+}、HCO3−HCO_3^- 與鹼度，使水體受到碳酸氫根緩衝；

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