民國115年 高考三級 環境工程 環境化學與環境微生物學考古題
民國115年 高考三級 環境工程 環境化學與環境微生物學收錄考選部官方試題，共 4 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
某焚化廠排放之戴奧辛均勻沉降至三塊種植芋頭的農田。A、B、C 三塊
農田的土壤有機質含量分別為0.5%、2.5% 與15%。假設三塊農田接受
相同戴奧辛污染負荷，且其他土壤性質與栽培條件相近，請預測收成芋
頭中戴奧辛濃度的高低順序，並從土壤有機質含量對疏水性有機污染物
有效性與作物吸收的影響加以說明。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、戴奧辛（polychlorinated dibenzo-p-dioxins/furans, PCDD/Fs）屬高度疏水性有機污染物，其辛醇－水分配係數（log Kow）約6至8，水溶解度極低；進入農田後主要吸附於土壤有機質（soil organic matter, SOM）與黏粒，僅極少量以自由溶解態存在於土壤孔隙水。
- 二、吸附程度可用土壤－水分配係數 Kd＝Koc×foc 描述（foc 為有機碳含量）。有機質愈高，Kd 愈大，孔隙水中戴奧辛濃度愈低。作物根部吸收主要由孔隙水中的溶解態驅動，故生物有效性（bioavailability）隨有機質增加而明顯下降，此即有機質的稀釋效應。
- 三、據此預測收成芋頭戴奧辛濃度高低順序為：A（有機質0.5%）＞B（2.5%）＞C（15%）。A 田吸附量最少、孔隙水濃度最高，根部吸收與塊莖表面土壤附著之貢獻最大；C 田有機質豐富，戴奧辛被強烈吸附，並隨時間老化（aging）而固定在有機質中，吸收量最低。
- 四、其他影響因子包括：戴奧辛同源物之氯數與毒性當量（TEQ）差異、土壤老化造成之不可逆吸附、溶解性有機質（DOM）可能攜帶污染物而提高移動性、芋頭為地下塊莖（corm）與土壤直接接觸之附著貢獻，以及土壤 pH、黏粒含量、水分管理與品種差異。
- 五、限制與建議：上述僅為趨勢預測，實際濃度仍受污染負荷、粒徑與採樣部位影響。建議實測土壤 TOC、戴奧辛濃度與芋頭各部位（根、塊莖、葉）含量加以驗證，並以 TEQ 執行健康風險評估；必要時採客土、調整有機質、改變栽培方式或休耕等管理措施。
天然水體的pH 緩衝能力常受碳酸鹽系統控制。一研究團隊於晴朗夏日
的清晨，前往某含有豐富藻類與水生植物的湖泊量測水質，測得pH 為
7.5，且湖水具有一定的總鹼度。當團隊於午餐後再次檢測湖水時，請問
湖水的pH、總碳酸鹽濃度（total carbonate concentration）與總鹼度（total
alkalinity）分別會降低、升高或近似維持不變？請從碳酸鹽系統及湖泊
日變化的角度說明原因。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、碳酸鹽系統包含 CO2(aq)、H2CO3、HCO3- 與 CO3^2-，總碳酸鹽濃度（total carbonate concentration, CT）為各物種之和；總鹼度（total alkalinity）主要為 HCO3-＋2CO3^2-＋OH-－H+，代表水體中和酸之能力，對 CO2 之增減並不敏感。
- 二、清晨因夜間呼吸作用累積 CO2，pH 較低。午後經數小時強烈光合作用，藻類與水生植物大量消耗水中 CO2，碳酸平衡左移；當 CO2 不足時，部分藻類改以 HCO3- 為碳源，並釋出 O2 使溶氧上升、CO2 分壓下降。
- 三、pH：升高。CO2 被消耗使溶解態 CO2 濃度下降，依碳酸解離平衡 H+ 隨之減少，pH 可升至8.5至9.5，此即湖泊 pH 之日變化（diel variation），在優養化水體尤為明顯。
- 四、總碳酸鹽濃度：降低。光合作用將無機碳固定為有機碳（生物質量），使 CT 淨減少；若午後 pH 升高導致碳酸鈣（CaCO3）過飽和而沉澱，CT 亦隨之下降。
- 五、總鹼度：近似維持不變，或略為下降。CO2 不屬鹼度成分，故光合作用消耗 CO2 本身不改變鹼度；但藻類吸收 HCO3- 及高 pH 誘發 CaCO3 沉澱會使鹼度略微降低。故午後觀測結果為 pH 升高、CT 下降、鹼度近似不變。
傳統「硝化－脫硝」（nitrification–denitrification）廢水脫氮程序常面臨
曝氣能耗高、外加碳源需求及碳排放增加等問題。近年來，新興生物脫
氮技術，如部分亞硝化－厭氧氨氧化（partial nitritation–anammox, PN/A）
程序，常倚賴生物膜或顆粒污泥中的「空間分層／功能分層」（spatial or
functional stratification），以調控氨氧化菌（AOB）、亞硝酸鹽氧化菌
（NOB）與厭氧氨氧化菌（Anammox bacteria）的相對活性與空間分布。
請回答：
何謂生物膜或顆粒污泥中的「空間分層／功能分層」？（13 分）
為何此種分層與系統的曝氣強度及溶氧控制密切相關？（12 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、空間分層（spatial stratification）指生物膜或顆粒污泥因基質與氧氣擴散受限，沿徑向形成組成與活性截然不同的帶狀結構；功能分層（functional stratification）則指不同菌群依其生理特性佔據不同生態棲位，使硝化與厭氧氨氧化等反應在同一聚集體內分區進行。
- 二、典型分布為：外層好氧區以氨氧化菌（ammonia-oxidizing bacteria, AOB）為主，將 NH4+ 氧化為 NO2-；其次為亞硝酸鹽氧化菌（nitrite-oxidizing bacteria, NOB），將 NO2- 氧化為 NO3-；內層缺氧或厭氧區則由厭氧氨氧化菌（Anammox bacteria，如 Candidatus Brocadia）進行 NH4+＋NO2-→N2 之反應。
- 三、氧氣僅由外表面向內擴散並沿途被消耗，形成溶氧梯度；其穿透深度約數十至數百微米，取決於曝氣強度、混合程度、顆粒粒徑、生物膜厚度與耗氧速率。曝氣強度決定液膜邊界層之 DO 濃度，進而決定好氧層厚度與厭氧核心是否存在。
- 四、PN/A 需以低溶氧（約0.3至0.8 mg/L）操作：低 DO 下 AOB 對氧之親和力較 NOB 有利（NOB 之氧半飽和常數較高），可將 NOB 淘洗並維持部分亞硝化；同時須保留足夠厚之缺氧核心供 Anammox 生長。曝氣過強將使氧氣貫穿顆粒、破壞缺氧核心並促進 NOB；曝氣不足則氨氧化受限、亞硝酸鹽供應不足。
- 五、實務上以 DO 與氨氮線上監測回饋控制曝氣，搭配粒徑控制、水力停留時間管理與菌種淘洗策略，並注意低溫、負荷波動與 N2O 排放；分層結構能否穩定維持，即為系統成敗之關鍵。
地下水受三氯乙烯（TCE）污染時，可利用生物復育進行整治。TCE 的
微生物轉化主要包括好氧氧化與厭氧還原脫氯。請從微生物細胞能量學
的角度，分別說明微生物如何參與TCE 的好氧與厭氧轉化，並比較TCE
在兩種途徑中分別扮演何種角色？（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、三氯乙烯（trichloroethylene, TCE）屬含氯乙烯類化合物（chlorinated ethene），碳具較高氧化態且 C-Cl 鍵強，自然水解緩慢。微生物可經好氧氧化（aerobic oxidation）與厭氧還原脫氯（anaerobic reductive dechlorination）轉化，但兩者能量學及 TCE 所扮演之角色截然不同。
- 二、好氧氧化多屬共代謝（cometabolism）：甲烷氧化菌、氨氧化菌或甲苯分解菌以甲烷、氨或甲苯為生長基質，其單加氧酶（monooxygenase，如 sMMO、AMO、toluene dioxygenase）同時氧化 TCE，生成 TCE 環氧化物，再經水解與脫氯形成二氯乙酸、乙醛酸及 CO2，過程需 O2 與 NADH/NADPH 提供還原當量。
- 三、能量學上 TCE 並非生長基質，氧化 TCE 不產生可供合成 ATP 之能量，反而消耗還原當量，且環氧化物具毒性可能抑制菌體；故微生物並非利用 TCE 取得能量，而是非專一性酵素之副反應，須持續供應甲烷等基質以維持酵素活性。
- 四、厭氧還原脫氯屬有機鹵化物呼吸（organohalide respiration）：以 H2 為電子供給者、TCE 為末端電子接受者，經還原脫鹵酶（reductive dehalogenase, RDase）依序脫氯為二氯乙烯（DCE）、氯乙烯（VC）與乙烯（ethene），代表菌為 Dehalococcoides mccartyi，需維生素 B12 與氫化酶。此途徑可經膜上電子傳遞建立質子梯度而產生少量 ATP，屬可維持生長之呼吸作用，惟產率遠低於氧呼吸，菌體生長緩慢。
- 五、角色比較與應用：好氧途徑中 TCE 為被共代謝氧化之受質（cometabolic substrate），微生物真正能源來自甲烷或氨；厭氧途徑中 TCE 為電子接受者（electron acceptor），微生物藉其還原取得能量。實務上可依氧化還原環境選擇生物通風、甲烷注入或生物增強脫氯（bioaugmentation），並監測 DCE/VC 與乙烯之比值以評估成效。