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民國115年 普通考試 環境檢驗 環境微生物學概要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
為什麼16S rRNA 基因能作為「生物條碼」來鑑定細菌？此基因除了細
菌外，還可以用來鑑定何種微生物？（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、生物條碼的基本條件：16S rRNA 基因編碼小次單元核醣體 RNA（small subunit rRNA, SSU rRNA），全長約 1,500 bp，普遍存在於所有細菌，且兼具「保守區」與「變異區」，演化速率較慢，故成為原核生物最常用的分子條碼（DNA barcode）。 二、結構上的可辨識性：此基因含九個高變異區（V1–V9），其序列差異反映親緣距離；保守區則供通用引子（universal primer，如 27F/1492R）黏合，使未知菌可先經 PCR 擴增、定序，再與 SILVA、RDP、EzBioCloud 等資料庫比對，快速得到分類地位。 三、功能約束與分子時鐘：16S rRNA 為核醣體組成，與蛋白質合成直接相關，功能受限使水平基因轉移風險低；不同位置承受不同程度的演化壓力，形成「分子時鐘」，可推估親緣距離並建構系統發生樹（phylogenetic tree）。 四、分類解析度與判讀門檻：一般以 97%（現多採 98.65%）序列相似度作為種（species）層級的操作門檻，屬（genus）約 94.5%。但 16S 對近緣種解析力不足，須輔以 ANI、dDDH、多位點序列分析（MLSA）或全基因體定序。 五、細菌以外的應用：16S rRNA 基因亦存在於古菌（archaea），可用以鑑定古菌並區分產甲烷菌等類群，此為本題最主要答案；此外粒線體與葉綠體源自內共生，保有類 16S rRNA 基因，可追溯真核生物的內共生起源。真核微生物（真菌、藻類、原蟲）則多以 18S rRNA 基因或真菌 ITS 區域作為條碼。
臺灣的《氣候變遷因應法》規定須管制的七大溫室氣體CO2, CH4, N2O,
HFCs, PFCs, SF6, NF3 中，有那幾個的排放源主要是因爲微生物的活動所
造成？請敘明其主要的排放場域為何？（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、判定原則：應看該氣體的生成途徑是否以微生物代謝為主，而非燃燒或工業製程。七大氣體中，CH4 與 N2O 的排放源主要來自微生物活動；CO2 雖有微生物呼吸貢獻，但人為淨排放以化石燃料燃燒為主，依 IPCC 規範生物源 CO2 多計入碳循環，不另列淨排放。 二、CH4（甲烷）：由產甲烷菌（methanogens，屬 Euryarchaeota）在嚴格厭氧、低氧化還原電位下，以乙酸裂解（acetoclastic）或 H2/CO2 還原途徑生成。主要場域包括水稻田、自然濕地與泥炭地、水庫與河川底泥、掩埋場、污水處理廠厭氧污泥消化槽、畜禽糞尿廢水及反芻動物瘤胃。 三、N2O（氧化亞氮）：由硝化菌（ammonia-oxidizing bacteria/archaea）與脫硝菌在氮循環中產生，為硝化與脫硝的中間產物。主要場域為施用氮肥之農田土壤、畜牧廢水與堆肥場、污水處理廠硝化與脫硝單元、河川與河口沉積物，以及乾濕交替的濱岸帶。 四、CO2 與其餘氣體：CO2 可來自土壤有機質分解、堆肥與污水生物處理之呼吸作用，但屬短期生質碳循環；HFCs、PFCs、SF6、NF3 主要來自冷媒、半導體製程與電力設備等工業來源，與微生物活動無關。故以微生物為導向的減量著力點應集中於 CH4 與 N2O。
請說明確定培養基（defined medium）與複雜培養基（complex medium）
之差異，並比較兩者在微生物培養、代謝研究與環境微生物分離上的適
用情境。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、定義：確定培養基（defined medium，又稱合成培養基 synthetic medium）所有成分的化學式與濃度皆已知，例如以葡萄糖為碳源，加入 NH4Cl、KH2PO4 與微量元素之礦物鹽培養基；複雜培養基（complex medium）含酵母萃取物、蛋白腖、牛肉抽出物等天然成分，其確切組成與批次含量並不清楚。 二、組成與再現性：確定培養基成分可精準控制，批次間變異小、再現性高，適合定量與比較；複雜培養基提供未知的生長因子（growth factor）、維生素與胜肽，可支持營養需求複雜或受損菌株生長，但批次差異大，實驗間不易互相比較。 三、代謝研究的適用情境：研究特定碳源利用、代謝通量（flux）、同位素標定、酵素誘導與基因表現調控時，須使用確定培養基以排除干擾，並可設計單一限制因子；若用複雜培養基，將難以區分基質來源與代謝路徑。 四、環境微生物分離的適用情境：環境樣本中的菌多處於飢餓或受損狀態（viable but non-culturable），分離時常先用複雜培養基或低營養培養基（如 R2A、10% TSA）提高回復率；確定培養基則用於後續純化、特性鑑定與生理測試。 五、限制與策略：確定培養基配製繁複、成本較高，且無法滿足未知生長因子需求；複雜培養基則有成分不確定與抑制物干擾問題。實務上常採「先複雜、後確定」的兩階段策略，並以固態與液態交替、延長培養時間提升可分離率。
抗菌劑（antimicrobial agents）如抗生素，在污水處理廠放流水、河川或
沉積物中，其濃度常低於臨床或實驗室測得之最小抑制濃度（minimum
inhibitory concentration, MIC）。請問：
抗菌劑的最低選擇濃度（minimum selective concentration, MSC）、最低
有效濃度（minimum effective concentration, MEC；指引發可偵測生理、
形態、基因表現或代謝反應的最低濃度）與最小抑制濃度（MIC）的
差異為何？（15 分）
為何在環境中，即使抗生素濃度低於MIC，仍可能促進抗藥性族群的
選擇？（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、MIC 的定義與測定：最小抑制濃度（minimum inhibitory concentration, MIC）指在標準化條件下（如 Mueller-Hinton 培養基、接種量約 5×10^5 CFU/mL、35℃、18–24 小時），能完全抑制肉眼可見生長的最低濃度，是臨床療效與抗藥性判定的依據，其終點為「高接種量、短期、生長抑制」。 二、MSC 的定義：最低選擇濃度（minimum selective concentration, MSC）指在易感菌與抗性菌共存競爭的環境中，能使抗性菌維持或取得優勢的最低濃度。多以競爭實驗或族群動態模型求得，數值常遠低於 MIC，甚至可低至 MIC 的百分之一以下。 三、MEC 的定義：最低有效濃度（minimum effective concentration, MEC）指引發可偵測之生理、形態、基因表現或代謝反應的最低濃度，例如 SOS 反應、生物膜形成、群體感應（quorum sensing）或外排泵（efflux pump）表現，屬「亞致死效應」的起點。 四、三者比較：一般而言 MEC < MSC < MIC，但順序並非固定，隨菌種、基質、生物膜與暴露時間而異。MIC 描述「生長抑制」，MSC 描述「演化選擇」，MEC 描述「細胞反應」，三者終點不同，不可互換引用。 五、亞 MIC 濃度仍促進選擇的原因：一是存在選擇窗口（selective window），抗性菌於低濃度仍可生長而易感菌受抑制；二是亞致死濃度誘導 SOS 反應，提高突變率；三是促進水平基因轉移（HGT），如接合與轉形；四是生物膜與沉積物形成濃度梯度與庇護所；五是共選擇（co-selection）使重金屬、殺菌劑共同維持抗性基因。故風險評估宜以 MSC 而非僅 MIC 為參考，並配合源頭減量與污水處理升級。