環境化學與環境微生物學（環境工程組）　申論題歷屆試題與參考架構

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）

（25 分）

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）

（25 分）

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：

（一）何謂生物膜或顆粒污泥中的「空間分層／功能分層」？（13 分）

（二）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）

（25 分）

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）

（25 分）

在具一定深度的湖泊或水庫，夏冬季常出現水溫分層、春秋則發生上下層對流的翻騰情況，請說明此現象發生的原因、對水中可能造成環境化學的影響及對水中微生物生長的影響。（20 分）

（20 分）

臺灣制訂用來表示河川水質的指標是 River pollution index（RPI），其是一個綜合性指標，請說明其組成成分與代表意義；若改用生化需氧量（BOD）作為單一河川水體品質的指標，請分析此改變的利弊。 （20 分）

（20 分）

請輔以化學平衡方程式，說明可能貢獻大氣中氮氧化物（NOx）的來源，及其會造成那些環境效應？（20 分）

（20 分）

取水來源為地表水的某些淨水廠，有觀察到每日進流原水的 pH 值會發生震盪情況，白天最高可上升到 pH 8～9，到夜間可能降至 pH 6～7。（每小題 10 分，共 20 分）

（一）請分析原水中可能涉及的生化反應以解釋此現象，並說明該淨水廠適合使用的消毒策略。

（二）下表是該廠使用加氯消毒的實驗數據量測結果，請計算此反應的反應速率常數並註明單位，並求出此反應的半衰期。時間（hr） 自由有效餘氯（mg/L）1 5.0 2 3.0 3 1.8

（20 分）

某加油站在營運過程中發生油品洩漏，造成土壤與地下水污染。該廠址控制計畫中提出以「現地氧化法」進行污染整治，在現場配置適當濃度的強氧化劑溶液，直接灌注到整治井中。假設現場共添加 200 kg 的過硫酸鈉（Na2S2O8）藥劑一次配好注入整治井（直徑 10 cm，深度 10 m，溫度 25℃），並與欲整治範圍內的油品立即完全反應而消耗完（地下水體積為 1200 m3），請藉由平衡以下的化學反應方程式，計算生成的 SO4-‧莫爾數、地下水中氫離子濃度及反應後產生的二氧化碳壓力（假設均蓄積於整治井中，單位 atm）。（20 分）S2O82-→ SO4-‧ SO4-‧+ C9H20 + H2O → CO2 + H+ + SO42-

（20 分）

燃燒程序之煙道氣含有大量的二氧化碳（CO2）與二氧化硫（SO2）污染物，若燃料之碳（C）含量為 82.5 %，硫（S）含量為 1.2 %，將 1,000 kg燃料完全燃燒，請回答下列問題：

（一）生成之二氧化碳量為何？生成之二氧化硫量為何？（5 分）

（二）生成之二氧化碳經排放至空氣中，若經 10,000 m3 空氣稀釋後，於1 atm, 25℃條件下，則排放所造成之二氧化碳濃度為何？（10 分）（註：理想氣體常數 R=0.082 atm-L/mole-K）

（三）若使用排煙脫硫（flue-gas desulfurization）法去除二氧化硫，添加碳酸鈣（CaCO3）藥劑，請寫出反應平衡式並計算使用之碳酸鈣量及生成物量。（10 分）

（25 分）

科 技 產 業 製 程 之 含 氟 廢 水 經 常 以 化 學 沉 澱 法 處 理 ， 藉 由 氫 氧 化 鈣（Ca(OH)2）的添加，形成氟化鈣（CaF2(s)）固體，並以沉澱分離達到去除之目的，其溶解反應式及 25℃之溶解度積（Ksp）如下：CaF2(s)↔ Ca2+ + 2F- Ksp=5×10-11 M3請回答下列問題：

（一）若水體 pH 7，溫度 25℃，氟化鈣溶解達固液平衡時，水中氟離子濃度為何？（5 分）

（二）若水體溫度 25℃，添加氫氧化鈣藥劑，放流水氟離子濃度目標為 1 mg/L，則水體之 pH 為何？水體增加之鈣離子濃度為何？水體增加之硬度為何（以 mg CaCO3/L 表示）？（15 分）

（三）化學沉澱法將產生大量氟化鈣污泥，請說明含氟廢水處理如何資源化。（5 分）

（25 分）

微生物極為多樣，環境科學及工程領域經常以其構造或反應特性加以分類，請就微生物之細胞結構、碳源利用型式、能量來源及氧氣利用型式等，分別說明分類定義與特徵，並舉例說明其應用特性。（20 分）

（20 分）

環境工程上經常使用之消毒方式如加氯消毒、照射紫外光消毒及加臭氧消毒等三種消毒方法，請分別說明其控制微生物之機制及應用上之特性。（15 分）

（15 分）

環 境 微 生 物 常 被 利 用 於 污 水 處 理 及 污 泥 處 理 上 ， 如 污 水 厭 氧 好 氧（Anaerobic/Oxic）程序及污泥厭氧消化（Anaerobic digestion）程序，請說明二者處理程序目的、微生物菌群、環境條件、代謝途徑及操作控制參數等差異。（15 分）

（15 分）

二氧化硫（SO2）在大氣中會經由雙氧水（H2O2）的氧化，產生硫酸液滴，其反應式及反應速率常數如下：SO2(aq) + H2O2(aq)  H2SO4(aq) k = 1.1  103 L/mol-s假設SO2及H2O2在大氣中的濃度分別為0.59 ppm及4.0 ppb，亨利常數（KH）分別為1.2及1.0  105 mol/L-atm且大氣中的水氣含量為0.014 g/L時，

（一）請計算大氣中二氧化硫（SO2）的反應速率。（10分）

（二）當二氧化硫（SO2）溶於大氣雨水中時，請問此時雨水的pH值為多少？（10分）SO2(g) + H2O  H2SO3(aq) KH, SO2 = 1.2 H2SO3(aq)  H+ + HSO3- Ka, SO2 = 1.7  10-2 CO2(g)  CO2(aq) KH, CO2 = 10-1.5 H2CO3(aq)  H+ + HCO3- Ka1, CO2 = 10-6.33 HCO3-  H+ + CO32- Ka2, CO2 = 10-10.33

（20 分）

加氯消毒是水處理程序中控制微生物的重要方法。一般加氯消毒的效率跟水體的pH值有關，且次氯酸（HOCl）的消毒能力是次氯酸根（OCl-）的80倍。

（一）在水體pH 7.0時，100 mg/L次氯酸鈉（NaOCl）可達到99.99%的消毒效率，請問在水體pH 8.0時，需加入多少濃度的次氯酸鈉，才能達到與pH 7.0相同的消毒效率？（10分）

（二）當水中含有15 mg/L氨氮（NH3-N）時，請問此時在pH 7.0時，每公升需加入多少克的次氯酸鈉，才能達到相同的消毒效果？（10分）HOCl  H+ + OCl- Ka = 2.7  10-8

（20 分）

一水廠欲利用河川原水作為自來水的水源，經分析測得河水的pH值為9.5 ， 水 中 含 有 40 mg-CaCO3/L 的 鹼 度 ， 其 中 也 包 含 12 mg/L 的 矽 酸（H4SiO4）。在考慮下列反應式時，請計算水中矽酸鹽及碳酸系統對鹼度的貢獻度。 （10分）H4SiO4  H+ + H3SiO4- Ka1, Si = 10-9.8 H2CO3  H+ + HCO3- Ka1, CO2 = 10-6.33 HCO3-  H+ + CO32- Ka2, CO2 = 10-10.33註：log 2 = 0.301，log 3 = 0.477，log 7 = 0.845原子量（g/mole）：氫（H） ：1.01；碳（C）：12.01；氮（N）：14.01；氧（O） ：16.00；鈉（Na） ：22.99；矽（Si）：28.08；硫（S） ：32.07；氯（Cl）：35.45

（10 分）

某水資源回收中心現正進行硝化作用改善工程之驗收，通過條件除了出流水中氨氮必須符合放流水標準之外，廠商必須證明改善後活性污泥系統中的自營性硝化菌數量有明確增加，請問如何進行實驗分析？（15分）

（15 分）

核醣體為細胞內合成蛋白質的位置，請解釋rRNA、tRNA及mRNA如何與核醣體產生關聯？（15分）

（15 分）

您被要求建立一間微生物分析實驗室，該實驗室必須可以進行下列分析項目：微生物分離培養（劃碟、抹碟、倒碟），以及革蘭氏染色，請依此提出所需購買實驗裝置之清單，並解釋這些實驗裝置之用途。（20分）

（20 分）

已知空氣中的 CO2 溶於某自然水體中且達到平衡，大氣壓力 1.00 atm 及溫度 25℃下相關反應式及平衡常數如下，請回答下列問題：CO2(aq)+ H2O ↔ HCO3−(aq)+ H+(aq) Ka1 = 4.45×10−7 HCO3−(aq)↔ CO32−(aq)+ H+(aq) Ka2 = 4.69×10−11

（一）當 CO2(aq)的平衡濃度與 CO32−(aq)的平衡濃度相等，請計算水中的 pH 值。（5 分）

（二）若水中 pH 值為 7.00 且鹼度為 1.00×102 mg/L as CaCO 3 （分子量：CaCO 3 = 100），請計算水中總溶解性無機碳的體積莫耳濃度（M） 。（10 分）

（三）承上題，若水體因藻類利用水中溶解性無機碳行光合作用，導致水中的 pH 值由 7.00 上升為 10.00 但鹼度維持不變，請計算水中總溶解性無機碳的體積莫耳濃度（M）。（10 分）

（25 分）

在酸性條件下以 Cr2O72−氧化 Fe2+的反應原理，被應用於水樣化學需氧量（COD）的檢測，已知在 25℃下相關半反應及標準電極電位如下：Cr2O72− + 6e− + 14H+ ↔ 2Cr3+ + 7H2O E1o = +1.33 V （1）Fe3+ + e− ↔ Fe2+ E2o = +0.77 V （2）能斯特方程式（Nernst Equation）之 R 及 F 值分別為 8.314 J/K-mol 及96485 C/mol，而單位轉換：CV = J 且 1cal = 4.184 J，請回答以下問題：

（一）請計算 Cr2 O72− 與 Fe 2+ 反應生成 Cr3+ 及 Fe 3+之全反應的平衡常數Ke（25℃）。（10 分）

（二）承上題，請計算上述全反應的標準自由能變化∆Go（kcal） （25℃）。（10 分）

（三）以濃硫酸調整某濃度為 0.10 N 的 K2Cr2O7 水溶液，使其 pH = 1.0、體積= 50 mL，使用 0.20 N 硫酸亞鐵銨溶液進行滴定，請計算滴定達當量點時 Cr3+的體積莫耳濃度（M）（假設完全反應）。（5 分）

（25 分）

許多奈米金屬氧化物可用於控制微生物之控制，試以奈米氧化鋅為例，試說明奈米光觸媒反應對微生物殺菌或抑制活性之主要機制。（15 分）

（15 分）

受非洲豬瘟影響，廚餘養豬受到限制，環保單位積極推動廚餘多元再利用，試說明進行高速發酵之原理、操作重點以及如何應用次世代定序（Next Generation. Sequencing, NGS）分析發酵過程之微生物族群變化。（20 分）

（20 分）

試說明 Extracellular polymeric substances（EPS）之主要成分及各成分在廢水生物處理程序所扮演之功能。（15 分）

（15 分）

（一）請使用化學反應式說明天然水體的 pH 緩衝系統。 （10 分）

（二）若氧氣溶解於水的亨利常數是 1.3×10 mol L atm-1，計算一大氣壓時，-3 -1水中的飽和溶氧濃度，並以 mg/L 表示。（10 分）

（20 分）

一廢水含 330 mg/L 的有機物，以及 27 mg/L 的氨氮。假設有機物的實驗式為[CH2O]n，計算這廢水的理論需氧量。（15 分）

（15 分）

毒化物的劑量-反應關係是健康風險評估所需的資料之一，請回答下列問題：

（一）說明什麼是劑量以及劑量-反應關係。（5 分）

（二）環境毒物的允許每日攝取量（allowable daily intake, ADI）一般根據動物試驗的無可視效應劑量（no observed adverse effect level, NOAEL）來訂定，請解釋 ADI 與 NOAEL，並說明兩者之間的關係。（5 分）

（三）假設某毒化物口服攝取的 ADI 是 0.020 mg/kg-bw/day，以成年人體重70 公斤且每天攝取 2 公升的水為基準，則這個毒化物的飲用水水質標準應定在多少？（5 分）

（15 分）

某水資源回收中心的活性污泥經廢棄後，送至厭氧消化槽進行污泥消化，操作員發現其甲烷產生量不佳，該廠檢驗員擬以碳酸氫鈉為碳源，利用平板培養基以封口臘膜於攝氏 20 度之震盪培養箱中培養 48 小時後進行甲烷產生菌之計數，試說明其實驗設計何者有誤。（25 分）

（25 分）

氮系元素如排入承受水體，將導致河川溶氧下降或者水庫優養化，試論述一般水資源回收中心利用微生物除氮之機制及其參與之二類微生物屬名。（25 分）

（25 分）

一廢水處理廠欲處理一含有三氯乙烯濃度1,100 mg/L之廢水106公升。若將此廢水放入一體積為2106公升、溫度25℃之密閉系統反應槽靜置，試問當系統達平衡時，廢水中之三氯乙烯濃度為何？假設三氯乙烯在25℃之亨利定律常數（Henry’s Law Constant）為11.6 atm/mole，理想氣體常數R=0.082 atm-L/mole-K。（15分）

（15 分）

何謂室內空氣污染？試舉出五種不同類型之室內空氣污染物質及其來源。（20分）

（20 分）

地下水中含二價鐵離子（Fe2+）濃度15 mg/L，若以連續曝空氣方式利用氧氣氧化處理二價鐵離子至0.2 mg/L，需耗時多久方能達到目標？假設曝氣處理過程中溫度為20℃，pH控制在7，空氣中氧氣分壓為0.21大氣壓（atm），二價鐵離子氧化速率常數k為81013 L2/(mole2-atm-min)。（15分）

（15 分）

環境中大多數的細菌在大部分的時間都處於代謝活動非常低且幾乎沒在生長的狀態，稱之為「生長停滯」（growth arrest）。事實上，最先從霍亂弧菌與大腸桿菌中所觀察到的「活著但無法培養」 （viable-but-nonculturable）的型態，也屬於生長停滯的一種樣式，而大腸桿菌已知為糞便污染的指標微生物。請試述細菌「活著但無法培養」的狀態對於水質安全、公共衛生有何影響？（答案需先說明「糞便指標細菌」 （fecal indicator bacteria）的構成條件為何？接著說明「活著但無法培養」有何特徵；最後說明「活著但無法培養」的狀態對於水質安全、公共衛生的影響。） （30分）

（30 分）

世界各地超級細菌（superbugs）案例的擴增已成為急需嚴肅面對及解決的全球性公衛議題。請說明何謂超級細菌，並從「環境」微生物學的角度論述超級細菌的產生原因。（20分）

（20 分）

氯氣(Cl2)用於自來水消毒，當 Cl2(g)溶於水中會有 Cl2(aq)、HOCl、OCl-、Cl-等溶解態氯氣及次氯酸生成，若溶於水中 Cl2(aq)濃度為 10-4 M，氯在水中系列反應式如下：（每小題 10 分，共 20 分）(1)Cl2(g) ⇄ Cl2(aq) (2)1/2 Cl2(aq) + e- ⇄ Cl- E0 =+1.39 V pE0 =+23.5 (3)HOCl + H+ + e- ⇄ 1/2 Cl2(aq) + H2O E0 =+1.60 V pE0 =+27.0 (4)HOCl ⇄ H + + OCl- Ka=10-7.5 pKa=7.5法拉第常數 F：23061 cal/Volt、R=1.987 cal/k mole、T=298 K、Δ G0=-RT ln (Ka)、 Δ G0=-nFE0，氯在水中的 pE-pH 圖如下：

（一）請依據上述反應式寫出 HOCl 在酸性條件還原成 Cl-的半反應式，計算該半反應 pE0，並導出 HOCl/Cl-邊界線①（boundary line）的 pE-pH方程式。

（二）請計算 H+ + OCl- ⇄ HOCl 反應的自由能（ Δ G0） ，與上題導出半反應式合併，及自由能（ Δ G =-nFE ）觀念，計算：OCl +2 H+ +2 e- ⇄ Cl- + H2O 0 0 -反應的 pE0，並導出 OCl- /Cl-邊界線②（boundary line）的 pE-pH 方程式。

（20 分）

地球大氣含 O2、N2 及其他氣體，二氧化碳（CO2）為主要溫室氣體，目前大氣的 CO2 濃度約為 410 ppm，又 CO2 會吸收 15 μm 及 4.26 μm 紅外光，請回答下列問題：（每小題 10 分，共 20 分）

（一）假設大氣無其他氣體干擾，CO2 溶於雨水生成 CO2 飽和水（Saturated water）H2CO3，計算該 CO2 飽和雨水的 pH。亨利常數 KH=3.4×10-2 M atm-1 (25°C)，H2CO3 的 Ka1= 4.5×10-7。

（二）解釋大氣的 O2 及 N2 為何為非溫室氣體。分別計算 CO2 吸收 15 μm 及4.26 μm 紅外光能量，以 k joules/mole 表示。CO2 分解成 CO 及 O 反應：CO2 →CO + O，在室溫下 CO2、CO 及 O 的生成熱焓值（ Δ H）分別為：–393.5、–110.5 及+249.2 k joules/mole，請計算 15 μm 及 4.26 μm紅外光照射 CO2 時，CO2 分解成 CO 及 O 的分解百分比。普郎克常數：h=6.626×10-34 Joule sec，光速：c=3×1010 cm/sec，E = hν，Avogadro's number：6.02×1023 molecules/mole。

（20 分）

環境中的脂溶性毒化物會經由食物鏈進入人體，此類化學毒物會經由生物濃縮累積在脂肪中不易排出生物體之外，請回答下列毒化物的問題。

（一）請解釋何謂毒化物的半數致死劑量（LD50）及生物濃縮因子（BCF）。（6 分）

（二）湖泊中有彩虹鱒魚（Rainbow trout），鱒魚的脂肪占體重 5.0%，若分析鱒魚體脂肪中含有 22ppb 的巴拉松殺蟲劑，請計算該湖泊中巴拉松殺蟲劑的濃度。若巴拉松殺蟲劑 BCF 與 KOW 值可視為具有相同的意義。已知巴拉松殺蟲劑的正辛醇-水（Octanol-Water）分配係數：log KOW =3.8。（4 分）

（10 分）

說明生物氣溶膠成分，試分析影響大氣微生物存活的因素。（15 分）

（15 分）

試述微生物與氮循環的關係。（15 分）（每小題 10 分，共 20 分）

（20 分）

請說明下列兩種微生物之特性及在環境上之意義。

（一）非洲豬瘟病毒（ASFV）

（二）藻礁

取 200 mL 的湖水，利用 0.02 N 硫酸（H2SO4）進行滴定，所得滴定曲線如圖所示，請回答下列問題：

（一）請說明湖水最初的 pH 值為 10.5 的原因為何？（5 分）

（二）請由滴定曲線計算水中的酚酞鹼度與總鹼度。 （10 分）

（三）請問水中氫氧根（OH-） 、碳酸根（CO32-）及碳酸氫根（HCO3-）的濃度分別為何？（10 分）pH 值0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0.02 N H2SO4 滴定量 (mL)

（25 分）

大氣中一氧化氮（NO）會與臭氧（O3）反應生成二氧化氮（NO2）及氧氣（O2），假如此反應的反應速率常數（k）為 1.8 × 10-12 e-1370/T，各化合物的標準焓值（enthalpy）如下表，請問：化合物 焓（ΔHf0, kJ/mol）NO 90.25 NO2 33.18 O3 142.7

（一）此反應的活化能（activation energy）為何？（5 分）

（二）此反應的焓值為何？屬於放熱反應還是吸熱反應？（5 分）全一張39120 （背面）

（10 分）

利用比色法來測定溶液中污染物的濃度，在環境上為相當常用的分析定量技術。通常比色法可依循比爾– 朗伯定律（Beer-Lambert Law）的線性關係，即透光率（T）= e-εbc，其中ε為消光係數，b 為光路徑，c 為濃度。而消光係數又與吸光值（A）有關（A = εbc） 。此方法也可用來定量大氣中臭氧對 UV-B（280 – 320 nm）的吸收能力，下表所示為臭氧在不同 UV-B 波長範圍中的消光係數值。請回答下列問題：波長（λ）（nm） 消光係數（ε）（cm-1）280 100 290 32 300 10 310 3 320 0.8

（一）如果大氣中臭氧的 bc 值為 0.35，請計算波長為 320 nm 抵達地面時的透光百分率。（5 分）

（二）當大氣中臭氧的濃度降低 1%時，請問此時 280 nm 及 320 nm 波長到達地面的透光率變化為何？（5 分）

（三）請說明此變化主要的原因。（5 分）

（15 分）

請比較 aerobic、anoxic、anaerobic 三種反應槽在定義上有何差異，並依此差異解釋出傳統設計之 A2O 三槽組合生物氮磷去除程序（依序第一槽 anaerobic，第二槽anoxic，第三槽 aerobic，濃縮污泥迴流至第一槽）有何不利反應進行之處？可以如何修正？（15 分）

（15 分）

請解釋微生物進行 DNA 複製時，為何會出現 leading strand 以及 lagging strand 的差異？（15 分）

（15 分）

學術單位由國外某污染場址分離出一株純菌，在實驗室規模反應槽中成功證明此菌具有四氯乙烯分解能力，該學術單位授權你在臺灣某四氯乙烯污染場址添加此菌並測試其處理效果，試問你如何以微生物相關之 culture-independent 分析技術來證明此純菌在現場真的有發揮預期的處理效果。（20 分）

（20 分）

去除含重金屬廢水中的六價鉻時，通常將其先還原成三價鉻 Cr3+，再添加鹼產生氫氧化鉻（Cr(OH)3）沈澱物，最後再以固液分離後達到去除目的。請說明將水溶液之 pH 值調整至 8.5 以上時，是否能使水中殘留的 Cr3+低於 0.5 mg/L（20 分）？（以上計算請忽略離子強度之影響，參考計算方程式如下。）鉻原子量為 52、氫原子量為 1、氧原子量為 16 − Cr(OH)3(s)' Cr3+ + 3OH pKsp = 6.0¯10−31 Cr3+ + OH− ' Cr(OH)2+ K1 = 1.0¯1010 − Cr(OH)2+ + OH ' Cr(OH)2+(aq) K2 = 2.0¯108 − Cr(OH)2+ + OH ' Cr(OH) (aq) K3 = 5.0¯105 − − Cr(OH) + OH ' Cr(OH)4 K4 = 4.0¯104

（20 分）

利用生物處理程序去除廢水中的磷，主要是利用磷蓄積菌（PAO）在好氧與厭氧之環境中不同的作用而達成，請說明生物除磷之主要生化反應與去化機制及處理程序設計之依據。（15 分）

（15 分）

對流層中之臭氧濃度主要是來自空氣中氮氧化物家族（一氧化氮與二氧化氮）光化學反應之產物，請就對流層中 NO、NO2、O3 三種物種之光化學反應，說明氮氧化物之基礎光化學反應，並比較在白天與夜晚之反應與去除機制。 （15 分）大氣化學反應方程式：NO2+hνlNO+O NO3+hν（λ < 700 nm）lNO+O2 O+O2+MlO3 NO3+hν（λ < 580 nm）lNO2+O O3+NOlNO2+O2 NO3+NOl2NO2 OH+NO2lHNO3+M NO2+NO3+MlN2O5+M NO2+O3lNO3+O2 N2O5+MlNO2+NO3+M（M：material）

（15 分）

如何區別光合自營生物（photoautotroph）、化學自營生物（chemoautotroph） 、化學異營生物（chemoheterotroph）、光合異營生物（photoheterotroph）？下列微生物各分屬上述那一類？真菌、綠藻、亞硝酸菌（Nitrosomonas）。（15 分）

（15 分）

一般微生物呼吸時以氧分子為電子最終接受者，但環境中仍有許多微生物以其他物質做為電子最終接受者，請說明有那些物質可做為電子最終接受者，並說明其參與的反應。（20 分）

（20 分）

環境品質指標中常出現大腸桿菌群（coliforms） 、糞大腸桿菌（fecal coliforms）、大腸桿菌（Escherichia coli），試說明三者之差別及其當做指標微生物之意義。 （15 分）

（15 分）

污水處理廠中厭氧生物處理效率與鹼度及 pH 值有關，今有一污水處理廠中廢水的鹼度為 3,000 CaCO3(mg/L)，pH 值 7.3，請回答下列問題：請說明鹼度的定義（需表明單位） 。（5 分）- -請問在 pH 值 7.3 的廢水中，[HCO3 ]及[CO32 ]的濃度各為何？（5 分）H2CO3  H+ + HCO3 - pKa1 = 6.3 HCO3  H + CO3 - + 2- pKa2 = 10.3如欲將廢水的 pH 值提高至 8.0 以增加厭氧氨氧化的生物處理效率時，請問每公升的廢水中需加入多少克的 NaOH？（10 分）

（20 分）

大氣中的氮氣（N2）與氧氣（O2）在高溫環境中會結合產生 NO，其反應速率決定步驟為 N2 與原子態氧（O）的反應。在 800℃時，此反應的反應速率常數值為9.7  1010 L/mol-sec，活化能為 75.3 kcal/mol，當溫度增加至 1100℃時，請問此時的反應速率常數值為何？（15 分）

（15 分）

水庫優養化現象會造成水質的層化，使水庫的水質同時存在好氧及厭氧狀態。一般優養化現象可添加銅離子（Cu）來控制藻類的生長，經原子吸收光譜儀（AAS）分析後，某水庫的水體含有 0.1 mg/L 的銅離子。二價銅（Cu2+）還原成一價銅（Cu+）在 25℃的標準還原電位（E0）為 0.16 V，氧氣（O2）還原成水（H2O）的標準還原電位為 1.23 V，反應式如下，請回答下列問題：- Cu2+ + e →Cu+ E0 = + 0.16 V - 1/4 O2 + H+ + e → 1/2 H2O E0 = + 1.23 V pE 值為4 時，請計算此時水體中 Cu2+與 Cu+的濃度。（5 分）pH 值對水庫表面水氧化還原電位的影響。（5 分）pH 值上升至 10.0 時，請計算此時水庫表面水體 Cu2+與 Cu+的濃度。（5 分）

（15 分）

整治三氯乙烯污染地下水時常將糖蜜或乳化油等有機物質注入地層中，請說明此現地生物刺激（Biostimulation）復育技術的微生物學理論依據，並列舉兩種分解三氯乙烯的厭氧菌屬名。 （25 分）

（25 分）

甲烷菌在分類學上是屬於古細菌（Archaea），全球約有 80%甲烷是由甲烷菌產生。請舉出五種甲烷菌喜歡生存的環境，以及甲烷菌可利用的基質種類，並就該基質種類列舉一種甲烷菌屬名。（25 分）

（25 分）

多苯環芳香烴化合物(PAHs)是一種空氣污染物，請回答下列有關 PAHs 的問題：

（一） PAHs 在大氣中是如何產生？（5 分）

（二） PAHs 的致癌性（carcinogenic）可由其化學結構式具有 bay region 來判別，請說明何謂具有 bay region 的化學式結構。（3 分）

（三） C18H12 是一種有四個苯環的芳香烴化合物，共有五種異構物（isomer），請畫出這五種異構物的化學結構式，並指出那一個較不具致癌性。（12 分）

（20 分）

在 1 atm 及 303K 時，大氣中氫氧自由基（ • OH）濃度為 8.7 × 106 molecules/cm3，一氧化碳（CO）濃度為 20 ppm，又 • OH 和 CO 的反應如下： • OH + CO → HOCO • ，其反應速率式：Rate = k[ • OH][CO]，又反應速率常數 k = 5.0 × 10-13exp（-300/T）molecules-1 cm3 sec-1，T 是絕對溫度 K，請回答下列問題：

（一）計算在 303K 時，上述反應之反應速率常數 k 值。（3 分）

（二）請將 20 ppm 之一氧化碳（CO）濃度單位以 molecules /cm3 air 表示。（R = 0.082 L atm K-1 mole-1，Avogardo number：6.02 × 1023）（6 分）

（三）計算該反應之反應速率值：Rate = k[ • OH][CO]（6 分）

（15 分）

在自然水（natural water）中，Fe(OH)3(s)還原為 Fe2+的反應，與 H2O 氧化為 O2(g)達平衡，其反應式如下，若大氣中氧的分壓為（PO2 = 0.21 atm）又水的 pH = 5，請計算此自然水中 Fe2+之濃度。已知反應式如下：（15 分）Fe(OH)3(s) + 3H+ + e－ → Fe2+ + 3 H2O E°= 0.947 V p E°= +16.00 1 1 O2(g) + H+ + e－ → H2 O E°= 1.229 V p E°= +20.77 4 2

（15 分）

細胞膜阻隔胞內物質及外界環境，請說明細胞膜的雙層磷脂（phospholipid bilayer）之構造特徵，以及磷脂上的 PLFA（phospholipid fatty acid）有何特殊研究應用？（15 分）

（15 分）

請說明溫度如何影響微生物的生長，在極端環境（高溫及低溫）之下可以生長的微生物有何特殊生理特徵？（15 分）

（15 分）

當利用傳統分離培養技術取得未知其分類之純種真細菌（Eubacteria）時，要如何依據微生物的演化親緣關係來進行其分類鑑定，請一併說明實驗步驟。（20 分）

（20 分）

（一）請定義 absorption、adsorption 與 sorption。（6 分）

（二）針對 CO2 捕獲，各提出一種 absorption 與 adsorption 的方法，並說明原理。（6 分）

（三）請定義 physisorption 與 chemisorption，並說明兩者的三項特性差異。（8 分）

（四）請列舉 3 種形成 chemisorption 的表面反應。（9 分）

（29 分）

（一）請定義高級氧化程序（advanced oxidation process, AOP）。（3 分）

（二）請以化學式寫出 3 種生成氫氧自由基（hydroxyl radical, ．OH）的方法。（9 分）

（三）請畫出．OH、H2O2 及 O3 的路易士電子結構，並比較三者的氧化能力。（9 分）

（21 分）

請由微生物觀點就「能源」、「最終產物」與「進流水有機濃度」三項，比較並說明廢水二級處理中好氧程序與厭氧程序之差異。（20 分）

（20 分）

污染水體常出現大腸菌群過量之現象，尋找污染源便成為重要工作。請問如何由微生物的種類判斷污染來源是來自人類糞便或溫血動物糞便？（15 分）

（15 分）

污水地下管線常有冠頂腐蝕（crown corrosion）現象發生，請說明參與菌種和形成之機制。（15 分）

（15 分）