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民國110年 高考三級 環境檢驗 環境化學與環境微生物學收錄考選部官方試題，共 5 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
請使用化學反應式說明天然水體的pH 緩衝系統。（10 分）
若氧氣溶解於水的亨利常數是1.3×10-3mol L-1 atm-1，計算一大氣壓時，
水中的飽和溶氧濃度，並以mg/L 表示。（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、天然水體的酸鹼緩衝以碳酸鹽系統（carbonate system）為核心，主要物種為 CO2(aq)、H2CO3、HCO3-、CO3^2-。平衡式：CO2(g) ⇌ CO2(aq)；CO2 + H2O ⇌ H2CO3；H2CO3 ⇌ H+ + HCO3-（pKa1≈6.3）；HCO3- ⇌ H+ + CO3^2-（pKa2≈10.3）。加酸時 H+ 與 HCO3- 結合成 H2CO3 並釋出 CO2；加鹼時 H2CO3 解離補充 H+，因此 pH 的變化會被抑制。 二、開放系統（與大氣交換 CO2）的緩衝能力主要取決於碳酸氫根濃度，pH 約落在 4.5～8.3；封閉系統（不與大氣交換）則在 pKa1 與 pKa2 之間形成緩衝平台，pH 約 6.3～10.3。水體鹼度（alkalinity）主要由 HCO3- 與 CO3^2- 構成，是實務上評估緩衝容量與酸化敏感度的指標。 三、碳酸鹽之外，海水的硼酸系統（B(OH)3／B(OH)4-，pKa≈8.6）在 pH 8 附近貢獻顯著；矽酸鹽、腐植酸（humic acid）與有機酸亦具緩衝作用；酸性礦區水體則由 Al3+ 水解（Al3+ + 3H2O ⇌ Al(OH)3 + 3H+）與硫酸鹽系統主導，pH 常被固定在 4～5 之間。 四、亨利定律（Henry's law）於稀薄溶液、氣液平衡下為 [O2(aq)] = KH × pO2。題給 KH = 1.3×10^-3 mol L^-1 atm^-1、pO2 = 1 atm，故 [O2] = 1.3×10^-3 × 1 = 1.3×10^-3 mol/L；換算質量濃度為 1.3×10^-3 mol/L × 32 g/mol = 0.0416 g/L。 五、即飽和溶氧約 41.6 mg/L。惟此係「純氧、一大氣壓」之結果；若介質為空氣（O2 分壓 0.21 atm），則 [O2] = 1.3×10^-3 × 0.21 = 2.73×10^-4 mol/L，約 8.7 mg/L，較符實際水體。作答時應明確標示所採用之分壓假設，以免混淆。
一廢水含330 mg/L 的有機物，以及27 mg/L 的氨氮。假設有機物的實驗
式為[CH2O]n，計算這廢水的理論需氧量。（15 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、理論需氧量（theoretical oxygen demand, ThOD）指將水中可氧化物質完全氧化為 CO2、H2O 及 NO3- 所需之氧當量，以 mg O2/L 表示。其計算是依化學計量式，由有機物實驗式與氮濃度推算，不涉及生物分解性、動力學與實際處理效率。 二、碳質需氧量：以 [CH2O]n 代表碳水化合物，氧化反應為 CH2O + O2 → CO2 + H2O。CH2O 莫耳質量 30 g/mol、O2 為 32 g/mol，故每克有機物需氧 32/30 = 1.067 g。330 mg/L × 1.067 = 352 mg/L（約 3.5×10^2 mg/L）。 三、氮質需氧量：氨氮氧化為硝酸鹽，NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O，每莫耳 N（14 g）需 2 莫耳 O2（64 g），即 4.57 g O2/g N。27 mg/L × 4.57 = 123 mg/L（約 1.2×10^2 mg/L）。 四、合計 ThOD = 352 + 123 = 475 mg/L。若僅計碳質氧化（相當於 BOD 第一階段）為 352 mg/L；若含氨氮硝化（第二階段）則為 475 mg/L。實務上應註明是否含氮質需求，並注意有機氮須先經氨化（ammonification）再行硝化，且部分氮用於細胞合成而不被氧化。
毒化物的劑量-反應關係是健康風險評估所需的資料之一，請回答下列
問題：
說明什麼是劑量以及劑量-反應關係。（5 分）
環境毒物的允許每日攝取量（allowable daily intake, ADI）一般根據動
物試驗的無可視效應劑量（no observed adverse effect level, NOAEL）
來訂定，請解釋ADI 與NOAEL，並說明兩者之間的關係。（5 分）
假設某毒化物口服攝取的ADI 是0.020 mg/kg-bw/day，以成年人體重
70 公斤且每天攝取2 公升的水為基準，則這個毒化物的飲用水水質標
準應定在多少？（5 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、劑量（dose）指單位體重所接受之毒化物量，常用 mg/kg-bw/day 表示，可區分為投予劑量（administered dose）與內劑量（internal dose）。劑量-反應關係（dose-response relationship）描述不同劑量下個體或族群發生不良效應之機率或嚴重度，圖形多呈 S 形曲線，並可分為有閾值（threshold）與無閾值（non-threshold）兩類。 二、NOAEL（no observed adverse effect level）係在規範化動物試驗中，未觀察到統計上或生物學上顯著不良效應之最高劑量，其相鄰者為 LOAEL（最低可觀察不良效應劑量）。ADI（allowable daily intake）則指人體終生每日可攝取而不致產生可接受風險之劑量，單位為 mg/kg-bw/day。 三、兩者關係為 ADI = NOAEL ÷ 不確定係數（uncertainty factor, UF）。UF 一般取 100，即物種間差異 10 倍乘以個體間差異 10 倍；若資料不足、效應嚴重或使用 LOAEL，另乘修正係數。此即把動物試驗結果保守外推至人體之作法。 四、計算：每人每日容許攝取量 = 0.020 mg/kg-bw/day × 70 kg = 1.4 mg/day；水質標準 = 1.4 mg/day ÷ 2 L/day = 0.7 mg/L。若考量多重暴露途徑而採相對來源貢獻率（relative source contribution, RSC）20%，則為 0.7 × 0.2 = 0.14 mg/L。故須註明 RSC 假設，未設算時以 0.7 mg/L 為上限。
某水資源回收中心的活性污泥經廢棄後，送至厭氧消化槽進行污泥消
化，操作員發現其甲烷產生量不佳，該廠檢驗員擬以碳酸氫鈉為碳源，
利用平板培養基以封口臘膜於攝氏20 度之震盪培養箱中培養48 小時後
進行甲烷產生菌之計數，試說明其實驗設計何者有誤。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、甲烷產生菌（methanogens）屬廣古菌門（Euryarchaeota），為絕對厭氧菌（obligate anaerobe），需氧化還原電位低於約 -300 mV，且世代時間長（數天至數週）。以碳酸氫鈉為碳源、平板塗佈、封口臘膜、20℃、48 小時之設計，在多個環節與其生理特性不符。 二、碳源與能源設定錯誤：碳酸氫鈉（NaHCO3）僅為緩衝劑與無機碳來源；氫營養型甲烷菌雖以 CO2 為碳源，仍須 H2 或甲酸作為電子供體，乙酸營養型則需乙酸、甲醇或甲胺。單以碳酸氫鈉無法支持生長，培養基應提供 H2/CO2 氣相或乙酸鈉等基質。 三、厭氧條件不足：在空氣中塗佈平板再以封口臘膜（Parafilm）密封，無法排除氧氣，臘膜對 H2、CH4 亦非氣密。應採厭氧手套箱、厭氧罐（GasPak）、Hungate 滾管或血清瓶，搭配丁基橡膠塞與鋁蓋封口，並添加還原劑（cysteine、Na2S）及氧化還原指示劑 resazurin。 四、溫度與時間不當：中溫甲烷菌最適溫度約 35～37℃，20℃ 明顯偏低，生長遲滯；48 小時遠短於其世代時間，菌落通常需 2～4 週以上始可計數。震盪培養雖有助質傳，但會增加氧氣滲入，且對顆粒污泥菌群造成剪切破壞。 五、方法選擇與品管：甲烷菌在固態平板之計數效率低（菌落微小、塗佈不均），宜改以最大可能數法（most probable number, MPN）配合血清瓶、滾管法，或以氣相層析測定 CH4 生成量。並應以厭氧消化槽污泥為接種源、行系列稀釋、設置空白與三重複，必要時添加抗生素抑制真細菌。
氮系元素如排入承受水體，將導致河川溶氧下降或者水庫優養化，試論
述一般水資源回收中心利用微生物除氮之機制及其參與之二類微生物
屬名。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、氮在水體中以有機氮、氨氮、亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮等形式存在。排入河川將消耗溶氧（硝化需氧約 4.57 g O2/g N），排入水庫則與磷同為優養化（eutrophication）之限制因子。水資源回收中心之生物除氮，主要經硝化（nitrification）與脫硝（denitrification）兩階段，另有厭氧氨氧化等新興途徑。 二、第一類為自營硝化菌（autotrophic nitrifier），化學自營、好氧。氨氧化菌（ammonia-oxidizing bacteria, AOB）如 Nitrosomonas、Nitrosospira、Nitrosococcus，反應為 NH4+ + 1.5 O2 → NO2- + 2H+ + H2O；亞硝酸氧化菌（nitrite-oxidizing bacteria, NOB）如 Nitrobacter、Nitrospira，反應為 NO2- + 0.5 O2 → NO3-。 三、第二類為異營脫硝菌（heterotrophic denitrifier），於缺氧（anoxic）下以有機碳為電子供體，經 NO3- → NO2- → NO → N2O → N2 逐步還原。代表菌屬包括 Pseudomonas、Paracoccus、Alcaligenes、Bacillus、Achromobacter，多為兼性厭氧菌（facultative anaerobe）。 四、另有厭氧氨氧化菌（anaerobic ammonium-oxidizing bacteria, anammox）如 Brocadia、Kuenenia、Scalindua，於缺氧下進行 NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O，自營且無需有機碳；異營硝化菌如 Arthrobacter、Alcaligenes 亦可同時進行硝化與脫硝，均為近年節能除氮之重要菌群。 五、程序工具上常用 A/O、A2/O、改良 Ludzack-Ettinger（MLE）、Bardenpho、SBR、氧化溝等，藉控制好氧／缺氧區容積比、污泥齡（SRT）、溶氧（好氧區 1.5～2.5 mg/L、缺氧區 <0.5 mg/L）、碳氮比（BOD/TKN 宜 >4～5）、鹼度（每克氨氮硝化耗約 7.14 g 鹼度）與迴流比達成總氮去除。新興之部分硝化／厭氧氨氧化（PN/A）可節省碳源與曝氣，惟受溫度與自由氨抑制所限。