環境化學與環境微生物學　申論題歷屆試題與參考架構

何謂鹼度？一水體中鹼度為 1.5×10 3 eq/L，當 pH = 10 時，HCO3 、CO32－ － －及 OH 各貢獻多少當量濃度之鹼度？（25 分）－Alk(eq/L) =[ HCO3 ]+2[CO32 ]+[ OH ]–[ H + ]－ － －[ HCO3 ] ⮂ [ H + ]+[ CO32 ]－ －K a 2 =4.69×10 11－

（25 分）

有 18 kg 之葡萄糖（C6H12O6） （8.32 mg/L, 25℃）意外洩漏至一條含有飽和溶氧之溪流，假設葡萄糖被水中微生物完全分解成 CO2 及 H2O，請回答下列問題：

（一）請平衡以下葡萄糖被完全分解之反應方程式。（10 分）C6H12O6 + O2 → CO2 + H2O

（二）試求有多少體積水之溶氧，會因好氧生物降解而消耗殆盡？（15 分）

（25 分）

水資源回收中心操作成本中污泥處理及曝氣動力費占處理費用約五成，而厭氧生物處理則被認為可以減少上述成本，請從微生物代謝機制，詳細說明為何厭氧生物處理法之污泥產生量較好氧生物處理法低。（25 分）

（25 分）

水中的無機氮物種多為氨氮、亞硝酸鹽氮以及硝酸鹽氮，如擬將水中無機氮去除則需將其轉成氮氣，上述行為可統稱為硝化及脫硝，請詳細說明：

（一）硝化及脫硝的反應及所需要的環境。（10 分）

（二）參與上述反應的三種微生物英文屬名。（15 分）

（25 分）

在 10℃的土壤中，若農藥 DDT 的半衰期為 6 年，請計算 1 公斤農藥 DDT殘留為 1×10-7 公克時所需的時間。（25 分）

（25 分）

人為或自然空氣污染源並不會直接產生光化學氧化物，請說明為何汽車排放是形成臭氧的來源？並以化學反應式解釋之。（25 分）

（25 分）

在自來水水質指標中，一般生物性的檢測項目是大腸桿菌群及總生菌數，請問這兩個項目分別代表什麼意義？並請分別舉例說明其檢測方法。（25 分）

（25 分）

請說明廢水處理中，活性污泥法之「活性污泥」的組成成分，及其形成污泥的原因，並解釋為何污泥健康度（可沉降性）對於此類廢水處理操作上很重要？（25 分）

（25 分）

空氣污染事件可能導致嚴重災害，造成民眾身體健康危害甚至死亡。因此，為維護民眾身體健康，空氣品質監測為一重要之工作。試回答下列問題：

（一）請說明倫敦煙霧及洛杉磯煙霧形成之原因。（9 分）

（二）我國空氣品質指標（Air Quality Index, AQI）是基於那 6 種空氣污染物濃度計算而得？（6 分）

（15 分）

臭氧為平流層中重要之氣體，請回答下列問題：

（一）試以化學式說明臭氧於平流層中自然生成與消失之反應機制。（8 分）

（二）試說明臭氧在平流層之作用及造成臭氧層破洞之原因。（7 分）

（15 分）

氣體於水中之溶解度，可藉由亨利定律（Henry’s Law）得知，試回答下列問題：

（一）請說明亨利定律之定義。 （10 分）

（二）請以亨利定律計算 1 atm、25℃下，氧氣在水中之溶解度（mg/L）。已知氧氣在乾空氣中之占比為 20.95%，水蒸氣在 25℃下壓力為0.0313 atm，氧氣之亨利定律常數為 1.28×10-3 mole/L atm。（10 分）亨利定律：  X (aq)   K Px X( aq ) ：氣體在水中之溶解度（mole/L）Px ：氣體之分壓（atm）K ：亨利定律常數（mole/L atm）

（20 分）

請繪圖並說明 EMP 代謝、TCA 循環與電子傳遞鏈之間的關係。（20 分）

（20 分）

細菌屬於原核細胞，真菌屬於真核細胞，請列表舉出原核細胞與真核細胞的五種差異。（20 分）

（20 分）

請說明為何生物膜法污泥產生量較活性污泥法低。（10 分）

（10 分）

請說明：

（一）緩衝溶液（Buffer solution）的定義。（4 分）

（二）緩衝溶液的配置方法與作用原理。（8 分）

（三）在環境及水處理程序上的重要性。（8 分）

（四）請計算在一個含有 2.0 M 醋酸與 2.0 M 醋酸鈉的 1 公升緩衝溶液中，通入 0.10 莫耳氣體鹽酸後的 pH 值。 （5 分）

（25 分）

難溶性固體 Mg(OH)2 之溶解度積 Ksp = 1.2 × 10-11，請回答下列問題：

（一）計算其在溶液中平衡時之 pH 值。 （9 分）

（二）說明在溶液中出現共同離子（common ion） ，對 Mg(OH)2 溶解度及水體pH 值的影響。（16 分）

（25 分）

為什麼有些行光合作用的細菌不產生氧氣？（15 分）

（15 分）

如何以即時聚合酶連鎖反應方法定量樣品中活菌菌株的數目？請詳述機制。（15 分）

（15 分）

污水生物處理中，活性污泥系統曝氣槽常見的 Zoogloea spp.菌株在活性污泥系統操作上有何重要意義？（20 分）

（20 分）

消毒程序一般可視為消毒劑針對微生物細胞所進行的「高級氧化」作用，因此被視為水及廢水處理流程中，讓 「抗生素抗性基因」 失活（deactivation）與降解（degradation）的最後一道防線。不過，由於大部分的抗生素抗性基因藏於細胞內，因此如果所用的消毒劑對於胞內基因分子的氧化效率不佳時，將會使得即便微生物已死亡，但抗生素抗性基因仍具活性，並當流入環境且進入其他細胞後，將讓所對應的抗藥性繼續運作，進而產生環境抗藥性增長的問題。請根據自由氯、臭氧、二氧化氯、紫外光的消毒機制，說明何者對於胞內抗性基因的效果較佳，並預測當廢水處理流程中沒有設置營養鹽去除的單元時，上述何種消毒劑其效果容易因此打折，進而造成放流水的抗性基因濃度依舊偏高的後果。 （25 分）

（25 分）

土壤屬於「非均相」（heterogeneous）物質，其固相組成可粗分成「礦物相」與「有機相」：礦物相主要是黏土顆粒與金屬（氫）氧化物顆粒，而有機相則主要是腐植質，且其含量常占 0.5%至 5%的單位土壤乾重。當農地土壤受污染時，在不考慮周界大氣的污染傳輸下，作物從根部攝取到污染物的多寡，已知與污染物在土壤「孔隙水」的濃度分布有關。請說明當土壤的有機質含量從 0.5%升高至 5%時，針對土壤中「重金屬」與具一定「疏水性的農藥」 （即 log Kow > 2）兩種類別的污染物，何者在作物收成後，於作物可食用部位測得的濃度變化趨勢，較能用「平衡」的概念預測？（注意：您的答案必須包括重金屬與疏水性農藥分別在具耕作力的土壤的遲滯（retardation）機制為何，以及須表明各類別的污染物於作物的累積濃度，是隨土壤有機質含量升高而升高、或降低、或無任何趨勢可預期。）（25 分）

（25 分）

請說明病毒的構造，並敘述病毒繁殖的過程。（15 分）

（15 分）

試說明水質指標微生物具有之條件，並舉出二種微生物說明之。（15 分）

（15 分）

何謂廚餘堆肥化？試說明廚餘中可做堆肥材料，及廚餘堆肥化之生物處理技術。（20 分）

（20 分）

已知熱力學常數如下：- - + O2(g) O2(aq) HS SO42 H Gi0 (kJ/mol) 0 16.32 12.05 -744.6 0 H i0 (kJ/mol) 0 -11.71 -17.6 -909.2 0

（一）試計算下述反應式在標準狀態下的「Gibbs Free Energy」。（5分）- O2(g)+HS ⇌ SO42-+H+.

（二）若典型天然水之 pH 值為8及硫酸根濃度為710-5 M，已知大氣中氧氣的分壓為0.21 atm，請計算在水中 HS-的濃度。（5分）

（三）試計算下述反應式之平衡常數 K（提示：先計算焓及自由能之變化） 。（5分）O2(g) ⇌ O2(aq)

（四）試說明氧氣的溶解度如何隨著溫度改變？請用熱力學理論來說明之。（5分）

（20 分）

空氣中自由基種類甚多，請列出5種常見的自由基，並列舉其中一種說明其自由基的來源為何？（15分）

（15 分）

試說明水處理程序中加明礬混凝及加氯消毒前後 pH 值如何變化？並以化學反應式解釋之。（15分）

（15 分）

我國自110年起開始管制放流水中的氨氮，另在部分水庫集水區亦有總磷管制的問題，請從微生物的角度，說明一個併同氮磷去除的污水處理廠在設計上要考量硝化菌、脫硝菌與磷蓄積菌的競爭或衝突問題。 （20分）

（20 分）

目前大規模污水處理廠之污泥多用中溫厭氧消化法處理，產生甲烷燃燒後以維持厭氧消化槽之溫度，請說明兩類甲烷菌生成甲烷之機制以及三種甲烷菌屬名。（20分）

（20 分）

試說明微生物計數中多管發酵法以及膜濾法之概略實驗方式。（10分）

（10 分）

重金屬汞以 HgS(s)存在自然水體中，其解離出 Hg2+與水的 pH 值有關。依據下列反應式及反應常數，請寫出 HgS(s)在酸性水體的解離反應式及平衡常數，並分別計算在 pH7 及 pH2，水體中 Hg2+的莫爾濃度。 （16 分）HgS(s) ⇄ Hg2+ + S2- Ksp = 3.0 × 10-53 S2- + H+ ⇄ HS- K1 = 7.7 × 1012 HS- + H+ ⇄ H2S(g) K2 = 1.0 × 107

（16 分）

大氣中臭氧（O3）及一氧化氮（NO）在1 atm及300 K時的濃度分別為40 ppb及80 ppb。

（一）請將 O3 及 NO 的濃度單位以 molecules/cm3 air 表示。 （原子量：O = 16，（R = 0.082 L atm K mole ，Avogardo number：6.02×1023）N = 14） -1 -1（14 分）

（二）NO + O3 → NO2 + O2 的反應速率式為：Rate = k[NO][O3]，以上述之濃度計算該反應之速率值，已知 k = 2×10-14 molecules-1cm3sec-1。 （10 分）

（24 分）

分析湖泊底泥中的水樣，該水樣的 pH = 7.0 且系統達平衡，分析該水樣顯示：[SO4 2-] = 2.00×10-5 M，又 H2S(g)的分壓為 0.100 atm，該水樣又同時存在 CO2 與 CH4，請計算該底泥中的 CO2/CH4 的分壓比為何？（10 分）已知條件：1 5 1 1 SO42-(aq) + H+ + e- → H2S(g) + H2O pE0 = -3.50 8 4 8 2 1 1 1 CO2(g) + H+ + e- → CH4(g) + H2O pE0 = -4.13 8 8 4

（10 分）

在量測純菌培養於液態培養基中的生長曲線時，常用吸光度表示菌體生長密度，例如 OD600。但在使用吸光度量測時，在某個生長階段會與實際的活菌數量之結果差異較大？試說明其原因為何？（25 分）

（25 分）

微生物的代謝反應中，代謝同一種基質情況下，通常「好氧」代謝反應較「厭氧」代謝反應所獲得的能量高，其原因為何？（25 分）

（25 分）

持久性有機污染物一直是國際上受到重視的有機污染物，近年來，多溴二苯醚（polybrominated diphenyl ethers）已多數被列入持久性有機污染物中。

（一）請畫出多溴二苯醚結構通式與說明其特性，並以此特性詳述其可能在環境中之移動性。（8 分）

（二）另外，五氯酚（pentachlorophenol）也是持久性有機污染物，請畫出五氯酚結構與說明其特性，並以此特性詳述其可能在環境中之變化與移動性。 （10 分）

（三）比較五氯酚與最高含溴數之多溴二苯醚在環境中轉化與移動性。（2 分）

（四）假設一系統中含多溴二苯醚濃度為 200 μg / kg，需移除多溴二苯醚的90%，且在 20℃下，移除多溴二苯醚的一階降解速率為 0.5 hr-1。

⑴請問所需移除的時間為多久？（4 分）

⑵假設移除多溴二苯醚的活化能為 10 Kcal / mol，若溫度升到 30℃，此一系統中要移除多溴二苯醚到 10 μg / kg 所需的時間？（6 分）

（30 分）

環境中存在許多膠體，尤其近年來，奈米顆粒在環境應用與其行為也被廣泛重視：

（一）請問膠體與奈米顆粒的定義。（5 分）

（二）請繪圖說明一般負電膠體粒子的不同電位勢能，並以此說明膠體顆粒穩定的機制。（5 分）

（三）請問改變那些環境化學因子，會造成膠體顆粒不穩定而聚集？（5 分）

（四）請以所繪製之圖，說明為何加入環境化學因子，會造成膠體顆粒聚集的原因？（5 分）

（20 分）

登革熱如何傳染給人類？根據衛生福利部疾病管制署資料顯示臺灣本土登革熱病例數，2015 年與 2018 年（11 月 20 日）分別為 43419 人及177 人，請由病毒擴散分析其差異。 （15 分）

（15 分）

試述下列兩種微生物之特性及在環境上之意義。

（一）微囊藻（Microcystis aeruginosa）。（10 分）

（二）硫酸還原菌（Sulfate-reducing bacteria）。（10 分）

（20 分）

試繪圖說明利用生物處理法去除廢水中磷之方法及機制，並說明影響磷去除之因子。（15 分）

（15 分）

鐵離子為土壤與地下水體中相當常見的地球元素，請回答下列問題：三價鐵離子（Fe3+）在 25C 時還原成亞鐵離子（Fe2+）的 pe0 值為 13.2，請計算Fe3+＋e-  Fe2+的平衡常數值（K 值） 、標準還原電位值（E0）及標準自由能（G0） 。（10 分）在 pH 為 6.0 的地下水中，測得水體的氧化還原電位（E）為 0.485 V，鐵離子的總濃度為 0.2 mM，請問此時[Fe3+]與[Fe2+]的濃度各為何？（5 分）0.1 mM 的氯化有機物（R-Cl），此氯化有機物在 25C 時的標準還原電位（E ）為 0.68V。當進行還原脫氯反應時，氯化有機物會與氫原子（H）及電子反應，產生有機物及氯離子。當地下水的氯離子濃度為1 mM，氫原子的濃度與 pH 值相同時，請問氯化有機物在此環境中是否會進行還原反應？此時氯化有機物與其還原產物（R-H）的濃度各為何？（5 分）R-Cl + H + e-  R-H + Cl- E0 = 0.68 V註：log 2 = 0.301; log 3 = 0.477; log 7 = 0.845

（20 分）

火力電廠使用的煤炭經元素分析，發現含有 0.5%的硫（S）含量，6%的氫（H）含量，15%的氧（O）含量及 78%的碳（C）含量，其餘為雜質。今火力電廠每天燃燒 10 噸的煤炭，請問：火力電廠每天產生多少重量的 CO2(g)及 SO2(g)？（10 分）2(g)經大氣擴散後移動至下風處的城市，造成該城市雨水的 pH 值降低。經分析檢測後，發現該城市雨水的 pH 為 4.0，請由下列反應式計算雨水中 SO2(g)的濃度。（10 分）SO2 + H2O  H2SO3 KH = 1.0 H2SO3  H + HSO3 + - Ka = 1.7  10-2註：原子量（g/mole）：H = 1; C = 12; O = 16; S = 32

（20 分）

環境固體介質如土壤與底泥中的有機物種類及含量，雖會由於環境條件的不同而有所差異，但其含量均可利用重鉻酸鉀氧化法來決定。環保局為能了解受污土壤的有機物含量，經採樣後，取 0.5 g 土壤進行 COD 實驗，利用 20 mL 的 0.2 M 重鉻酸鉀進行氧化，反應後再以 0.5 M 硫酸亞鐵銨進行滴定，土壤樣品的滴定量為 17.5 mL，空白樣品的滴定量則為 40 mL，請回答下列問題：。（5 分）5 分）32950 全一張34550 （背面）等 別：三等考試

（5 分）

微生物增殖與能量代謝有關，就異營菌而言，一般微生物可利用基質磷酸酯化反應以及氧化磷酸酯化反應獲得能量；請說明上述反應中的 EMP 路徑、TCA 循環以及電子傳遞鏈為何？並說明好氧菌較厭氧菌污泥產生量高的原因。（20 分）

（20 分）

微生物依其碳源與能源的取得可分為「化學自營」、「化學異營」、「光合自營」、「光合異營」四類，請說明「硝化菌」、「藍綠細菌」各屬於何種？（10 分）

（10 分）

一般都市污水廠均以生物處理法除氮，請分別說明「硝化行為」與「硝化菌」的種類以及「脫硝行為」與「脫硝菌」的種類。（20 分）

（20 分）

一工廠煙囪排放 SO2 濃度是 500 ppm，排氣速度是 15 m/s，煙囪直徑 1 m，排氣溫度是 200℃，壓力是一大氣壓。若排放標準是在 0℃，一大氣壓時，濃度不得超過500 mg/m3。請問該工廠煙囪 SO2 的排氣濃度有無超過標準？該煙囪每日 SO2 的排放量是多少公斤？（假設該工廠每日操作 24 小時）（15 分）

（15 分）

核廢料中含有 137Cs，其半衰期是 30.17 年。請問 1 公斤的 137Cs在 20 年後還剩下多少公斤？（10 分）

（10 分）

請回答下列各題：（10 分）

（一）壬基苯酚、塑化劑對環境可能造成什麼影響？

（二）雨水的 pH 值低於多少才被稱作酸雨？為什麼？

（三）煙道粒狀物採樣時需做到等速採樣，何謂等速採樣？

（四） BOD 放流水標準為 30 ppm，SO2 濃度為 250 ppm。這兩種 ppm 有無差別？

（10 分）

若某地測得 CO2 濃度為 400 ppm，SO2 濃度為 10 ppb，PM2.5 為 40 μg/m3，PM10 為85 μg/m3。該地氣溫 25℃，壓力一大氣壓。請計算該地雨水的 pH 值。假設 SO2 溶於水後僅生成 H2SO3。（計算所需資料請參考下列附表）（15 分）物種 亨利常數（M/atm）CO2 0.1 SO2 1.23物種 解離常數（M）CO2 第一解離 4.3 × 10-7 CO2 第二解離 4.7 × 10-11 H2SO3 第一解離 1.3 × 10-2 H2SO3 第二解離 6.6 × 10-8

（15 分）

請寫出 Monod 方程式並繪圖描述基質濃度與微生物生長的關係。另請分別說明在高基質濃度與低基質濃度下，此微生物生長動力的模式會是如何改變？（20 分）

（20 分）

廢水生物處理常遇到不同微生物群的競爭而導致處理效能的降低。請說明當厭氧生物處理之廢水含高濃度硫酸鹽時，厭氧微生物間的競爭情形以及其原因。（10 分）

（10 分）

請依據微生物對於能源與碳源的營養型式（需求）加以分類。依此請判斷在活性污泥系統內分別去除 BOD 與執行硝化（nitrification）的微生物應分屬於那一類？（20 分）

（20 分）

臺灣地區之酸雨中含有 HNO3 與 H2SO4 兩種酸性物質，其莫耳比為 8：1（HNO3 ：。已知雨水中的碳酸鹽濃度為 1.2 × 10-5 M（碳酸鹽之 pK1 = 6.35；pK2 = 10.33）H2SO4） 。若酸雨的 pH 值為 4.0，請計算 HNO3 與 H2SO4 之濃度各為多少 M？（20 分）

（20 分）

河川水質指標污染指數（RPI）包含下列四個參數：溶氧、BOD、濁度、氨氮。每一參數所代表的意義各不相同，請詳細說明。（30 分）

（30 分）

理論上，每一莫耳葡萄糖分子在厭氧下分解可生成 2 個 ATP，在好氧下可生成 38 ATP。且理論上每莫耳葡萄糖轉化成乳酸可釋放出 27 kcal 的能量，若轉化為二氧化碳和水則釋出 688 kcal 的能量。因此，在厭氧系統下，理論生成一莫耳 ATP 需要 27/2=13.5 kcal的能量，而好氧下則需要 688/38 =18.1 kcal。為何在好氧下合成每莫耳 ATP 似乎較厭氧下需要更多能量，但好氧菌通常產量（cell yield）較厭氧菌高？（15 分）

（15 分）

請定義及解釋 methanotroph, methylotroph 及 methanogen 之異同，並列出主要碳源各一。（15 分）

（15 分）

下水道管線中常見的冠狀腐蝕（crown corrosion）往往導致管線破裂坍塌，請詳述造成的原因及可能參與的菌株。（20 分）

（20 分）

磷酸為多質子酸，容易與金屬物質錯合產生沉澱。則：請定義錯合反應。（4 分）說明 PO43-為幾芽基物質，並標出芽基位置。（6 分）當 AlPO4 在水溶液中溶解達平衡時，溶液中有多少濃度（mg/L）的 PO43-離子？pKsp=20.0，P（atomic weight）：30.97，Al（atomic weight）：26.98。（10 分）

（20 分）

說明對流層與平流層中 O3 的生成與消失。（10 分）光解反應 O2+hv →O + O 需要 495 J/mole 的能量，請問入射光的最長波長為何？普郎克常數（h）= 6.626 × 10-34 J-s，光速（c）= 3.0 × 108 m/s。（8 分）

（18 分）

請定義 equivalent 與 equivalent weight。（6 分）一水樣中含有 200 mg/L Ca2+離子與 50 mg/L Mg2+離子，請以 meq/L CaCO3 表達水體中的硬度。Ca（atomic weight）：40.08，Mg（atomic weight）：24.31。（6 分）

（12 分）

請由採樣方法、培養基種類、培養方法及品質管制，說明室內空氣中細菌濃度檢測方法。（20 分）

（20 分）

測定微生物可利用傳統及分子生物技術分析，說明兩種方法之優缺點，並各舉一種分析方法說明。（20 分）

（20 分）

請試述下列名詞之意涵：（每小題 5 分，共 10 分）生物復育（Bioremediation）消毒劑（Disinfectant）

（10 分）