民國115年 高考三級 環保技術 環境化學與環境微生物學考古題
民國115年 高考三級 環保技術 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、污染行為與吸附機制：戴奧辛（dioxins，多氯二苯並戴奧辛／呋喃）屬高親脂性持久性有機污染物，水溶解度極低、辛醇－水分配係數（Kow）高，進入農田後主要分配至土壤有機質。其土壤－水分配常以 Kd＝Koc×foc 描述，foc 為有機碳含量，故有機質愈高，Kd 愈大、固相吸附愈強。
- 二、有效性與孔隙水濃度：有機質提供疏水性吸附位址，使戴奧辛由溶解態轉為吸附態，孔隙水中自由溶解濃度（Cfree）下降，生物有效性（bioavailability）與化學活性隨之降低；部分研究亦指出老化（aging）會使污染物擴散進入有機質微孔，形成更難脫附的殘留態。
- 三、作物吸收途徑：芋頭根系主要吸收溶解態分子，經蒸散流（transpiration stream）向地上部與球莖運移；土壤有機質高時，根部界面濃度低，吸收與木質部轉運量減少。此外有機質高者可促進微生物降解、增加保水力與根圈活性，進一步降低植體累積。
- 四、濃度高低預測：在污染負荷、其他土壤性質與栽培條件相同的前提下，收成芋頭戴奧辛濃度（以乾重或脂重計）應為 A（0.5%）＞B（2.5%）＞C（15%），即有機質含量愈高者，芋頭濃度愈低。
- 五、限制與但書：高有機質亦可能釋出溶解性有機質（DOM），助溶並增加淋洗或促進吸收；極高有機質（15%）之芋頭生長與球莖脂質含量也可能改變。實務上仍須以土壤與作物實測、以脂重基準（lipid-based）評估，並考量品種、pH 與老化程度，不宜僅以有機質推論。
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、碳酸鹽系統架構：天然水體無機碳以 CO2(aq)、H2CO3、HCO3− 與 CO3^2− 存在，受 H2CO3* ⇌ H+＋HCO3−、HCO3− ⇌ H+＋CO3^2− 控制；總碳酸鹽濃度（total carbonate concentration, CT）為四者之和，總鹼度（total alkalinity, TA）約為 [HCO3−]＋2[CO3^2−]＋[OH−]－[H+]，可另含硼酸、矽酸等。
- 二、清晨至午後的光合作用：清晨 pH 7.5 反映夜間呼吸作用累積 CO2；午餐後藻類與水生植物光合作用旺盛，消耗水中 CO2 與 HCO3−，使 H+ 被消耗、pH 上升，通常可達 8.5～9.5，故 pH 為升高。
- 三、總碳酸鹽濃度：光合作用將無機碳固定為有機碳，加上高 pH 下碳酸鈣（CaCO3）可能過飽和而產生生物誘導沉澱，使水中 CT 下降，故總碳酸鹽濃度為降低。
- 四、總鹼度：若僅 CO2 被消耗，TA 不變；但當 HCO3− 被吸收並伴隨 CaCO3 沉澱時，每沉澱一莫耳 CaCO3 移除一莫耳 CO3^2−（相當 2 當量鹼度），TA 會下降。故富藻且具鈣硬度之湖泊，午後總鹼度為近似維持或略為下降，而非上升。
- 五、判定與提醒：pH 升高、CT 降低、TA 略降或近似不變；若水體鹼度低、無沉澱，則 TA 幾乎守恆。答題應指明光合作用與呼吸作用的日變化、CO2 與 HCO3− 的相對角色，以及碳酸鈣沉澱這項關鍵但書。
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、空間分層的定義：生物膜或顆粒污泥（granular sludge）中，微生物以胞外聚合物（EPS）聚集成團，因基質與氧氣的擴散限制（diffusion limitation）與消耗，形成由外向內氧氣與基質濃度遞減的梯度，不同功能菌群因而佔據不同深度，稱為空間分層或功能分層。
- 二、典型結構：外層為好氧層，以氨氧化菌（AOB）與亞硝酸鹽氧化菌（NOB）、異營菌為主；中間為缺氧過渡層；核心為厭氧層，聚居厭氧氨氧化菌（Anammox bacteria）。氧氣穿透深度通常僅 100～200 微米，顆粒粒徑愈大，厭氧核心占比愈高。
- 三、功能分工：AOB 將 NH4+ 氧化為 NO2−，NOB 再氧化為 NO3−，Anammox 則以 NH4+ 為電子供給者、NO2− 為電子接受者生成 N2。分層使產亞硝酸鹽與耗亞硝酸鹽在同一聚體內耦合，縮短擴散距離、提高脫氮效率並減少 N2O 排放。
- 四、與曝氣強度的關聯：曝氣決定液相溶氧（DO）與氧氣穿透深度。DO 過高會使好氧層增厚、厭氧核心消失，Anammox 受抑制且 NOB 活躍而累積硝酸鹽；DO 過低則 AOB 供氧不足、NO2− 供應短缺，Anammox 基質受限，顆粒亦易解體。
- 五、控制策略與限制：實務採低 DO（約 0.3～0.8 mg/L）、間歇曝氣、以游離氨（FA）與游離亞硝酸（FNA）抑制 NOB、控制粒徑與水力剪切，以維持分層。惟分層屬動態平衡，受溫度、負荷、EPS 與混合強度影響，需以線上 DO、pH、氨氮與氧化還原電位監控調整。
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、能量學基本原則：微生物轉化污染物需取得能量（ATP）與還原力（NADH／NADPH）。好氧氧化以 O2 為電子接受者，能量產率高；厭氧還原脫氯以污染物為電子接受者，能量產率低，但可在缺氧環境中進行。
- 二、好氧轉化：TCE 不能被微生物當作生長基質，屬共代謝（cometabolism）。甲烷氧化菌（sMMO、pMMO）、氨氧化菌（AMO）或甲苯／酚降解菌以甲烷、氨、甲苯等為主要基質，以 O2 為電子接受者產生還原力，其加氧酶（oxygenase）非專一性地將 TCE 環氧化為 TCE epoxide，再水解、脫氯為 CO2、甲酸、乙醛酸等。
- 三、厭氧還原脫氯：厭氧條件下，鹵化呼吸菌（如 Dehalococcoides mccartyi）以 TCE 為終端電子接受者，透過還原性脫鹵酶（reductive dehalogenase, RdhA）進行氫解（hydrogenolysis），TCE→DCE→氯乙烯（VC）→乙烯（ethene）。能量來自 H2 氧化與膜上電子傳遞之化學滲透，需外加電子供體（乳酸、醋酸、乳化植物油）維持低氫分壓。
- 四、角色比較：好氧途徑中 TCE 是共代謝基質／非生長基質，本身不提供碳源與能量，能量來自主要基質，且環氧化物具毒性；厭氧途徑中 TCE 是電子接受者，氧化還原反應可產能，屬呼吸作用，但能量少、速率慢，且可能停在 VC 而有毒性殘留。
- 五、整治意涵：好氧共代謝需供應甲烷或氨並控制 O2、避免生物堵塞；厭氧需確保電子供體、pH、氧化還原電位與 Dehalococcoides 菌群存在，並監測 VC 累積。實務常採生物刺激（biostimulation）與生物增強（bioaugmentation），必要時結合化學氧化或熱脫附。