民國115年 高考三級 環境檢驗 環境化學與環境微生物學考古題
民國115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 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、原理與定義：戴奧辛（polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans, PCDD/Fs）屬於高親脂性的疏水性有機污染物（hydrophobic organic contaminant, HOC），其 log Kow 約為6至8，進入土壤後主要以分配作用吸附於土壤有機質。土壤與水之間的分配係數為 Kd＝Koc×foc，其中 foc 為有機碳的質量分率。三塊農田承受相同的沉降負荷，戴奧辛總量相近，因此芋頭濃度差異主要取決於有機質造成的分配作用與生物有效性。
- 二、有機質對有效性之影響：有機質愈高，土壤固相的吸附容量愈大，孔隙水中自由溶解態濃度（Cfree）愈低，生物有效性（bioavailability）亦隨之下降。A 田有機質僅0.5%，吸附量最少，Cfree 最高；C 田有機質達15%，吸附最強，Cfree 最低；B 田則居中。因此三塊農田的 Cfree 高低順序為 A＞B＞C。
- 三、作物吸收途徑：芋頭為球莖作物，戴奧辛主要經根部由土壤孔隙水吸收，並可能附著於球莖表面的土壤顆粒。吸收量與 Cfree 呈正相關，而戴奧辛在植體內向地上部傳輸有限，多滯留於根部與球莖。因此預測收成芋頭中戴奧辛濃度的高低順序為 A＞B＞C。
- 四、其他機制與限制：高有機質可促進微生物降解及老化封存（aging、sequestration），降低長期的有效性；但也可能溶出溶解性有機質（dissolved organic matter, DOM），攜帶污染物移動，或使等溫吸附呈非線性（Freundlich n＜1）。此外，品種、栽培期與球莖生育階段亦會影響結果，因此上述順序屬預測而非絕對。
- 五、應用建議：風險評估與農地管制宜採生物有效性概念，以總有機碳（total organic carbon, TOC）校正土壤戴奧辛管制值，並輔以孔隙水濃度或生物指標（如蚯蚓、作物累積）判定，避免僅以總濃度過度估計風險。
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、系統定義：碳酸鹽系統中，總碳酸鹽濃度 CT＝[CO2(aq)]＋[H2CO3]＋[HCO3−]＋[CO3^2−]，總鹼度 Alk＝[HCO3−]＋2[CO3^2−]＋[OH−]−[H+]（忽略其他弱酸）。pH 由 CO2 分壓與鹼度共同決定，而藻類的光合作用與呼吸作用會改變 CO2 分壓。
- 二、pH 變化：清晨至午後，藻類與水生植物進行光合作用，消耗水中的 CO2 與 HCO3−，使 CO2 分壓下降；依亨利定律與碳酸平衡，pH 隨之上升。午後水溫升高使 CO2 溶解度下降，更加強 pH 上升。因此午後 pH 較清晨的7.5 升高，可達8.5 以上。
- 三、總碳酸鹽濃度：光合作用將無機碳固定為藻類生物量（有機碳），使 CT 減少；午後高 pH 若使水體達碳酸鈣飽和，可能誘發 CaCO3 沉澱，進一步移除無機碳。因此總碳酸鹽濃度降低。
- 四、總鹼度：CO2 的溶解、逸散及光合作用固定 CO2 均不改變鹼度；藻類吸收 HCO3− 並釋出 OH−，理論上可維持電荷平衡，使鹼度守恆。惟若發生 CaCO3 沉澱，每莫耳將減少約2當量鹼度，故鹼度為近似維持不變或略為降低。夜間呼吸作用則使 pH 下降、CT 回升。
- 五、綜合判定：午後 pH 升高、總碳酸鹽濃度降低、總鹼度近似不變（或略降）。此即湖泊日夜變化（diel cycle）的典型現象，可用以判讀優養化水體之代謝強度與碳循環。
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、空間分層之定義：生物膜或顆粒污泥（granular sludge）內部因溶氧與基質的擴散限制，沿徑向形成明顯的物理與化學梯度，外層為好氧區、內層為缺氧或厭氧區，稱為空間分層（spatial stratification）。胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）的孔徑、粒徑與水力條件會決定分層的厚度。
- 二、功能分層之內涵：不同菌群依其生理需求佔據合適的棲位，稱為功能分層（functional stratification）。外層氨氧化菌（ammonia-oxidizing bacteria, AOB）消耗氧氣，將 NH4+ 氧化為 NO2−；中層亞硝酸鹽氧化菌（nitrite-oxidizing bacteria, NOB）可能生長；內層厭氧氨氧化菌（Anammox bacteria，如 Candidatus Brocadia）於缺氧下將 NH4+ 與 NO2− 轉為 N2。
- 三、與曝氣強度之關係：曝氣強度決定液相溶氧濃度與氧氣穿透深度（penetration depth）。依擴散與反應平衡，氧氣通常僅穿透外層約100至200微米；曝氣過強會使氧化層增厚、NOB 活性上升而產生硝酸鹽，並抑制 Anammox；曝氣不足則 AOB 供給的 NO2− 不足，PN/A 程序無法成立。
- 四、控制策略：實務上採低溶氧操作（約0.3至1.0 mg/L）、間歇曝氣（intermittent aeration）、以游離氨（free ammonia, FA）與游離亞硝酸（free nitrous acid, FNA）選擇性抑制 NOB、控制顆粒粒徑與上升流速，並以 DO、NH4+、NO2− 線上監測回饋調控曝氣，以維持分層穩定。
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、能量學原則：微生物轉化污染物需取得能量（ATP）與還原力（NADH、NADPH）。TCE 的碳平均氧化態為＋1，既可被進一步氧化，亦可被還原脫氯。因此其角色隨途徑而異：好氧時為共代謝基質，厭氧時為電子接受者。
- 二、好氧轉化：TCE 無法作為唯一碳源與能源，屬共代謝（cometabolism）。甲烷氧化菌的可溶性甲烷單加氧酶（soluble methane monooxygenase, sMMO）、氨氧化菌的氨單加氧酶（ammonia monooxygenase, AMO）、甲苯或酚降解菌的加氧酶，會以 O2 與還原力將 TCE 環氧化為 TCE-epoxide，再水解為二氯乙酸、乙醛酸、甲酸等。能量則來自甲烷、氨或甲苯等初級基質。
- 三、厭氧轉化：TCE 作為終端電子受體，進行脫鹵呼吸（dehalorespiration）。電子供體多為 H2（由發酵菌提供），經還原脫鹵酶（reductive dehalogenase, RDase，含鈷胺素輔基）催化 TCE→cis-DCE→VC→乙烯（ethene），並經電子傳遞鏈建立質子驅動力以合成 ATP。代表菌為 Dehalococcoides mccartyi。
- 四、角色比較：好氧途徑中 TCE 為非生長基質（gratuitous substrate），不被微生物用以產能，且環氧化物具毒性，可能使酵素失活；厭氧途徑中 TCE 為電子接受者，其還原可產能，但自由能隨脫氯程度遞減，乙烯生成步驟能量收益低，需嚴格厭氧、低氧化還原電位與低 H2 閾值。
- 五、應用啟示：好氧共代謝需供應 O2 與初級基質，並注意競爭性抑制；厭氧脫鹵需添加乳化油、乳酸鹽等緩釋 H2 的基質，並監測 VC 累積、Dehalococcoides 菌量（qPCR）與脫鹵酶基因，以避免不完全脫氯造成毒性中間產物殘留。