108 年 國立成功大學環境工程學系碩士班甲組《環境化學及環境微生物學》

本題主要考驗酸鹼平衡在環境化學中的應用，特別是弱酸的解離以及物種分佈圖的繪製。

(a) 估計 PCP 的 pKa

核心觀念： 弱酸的解離程度與其 pKa 值以及環境的 pH 值有關。當 pH = pKa 時，弱酸的未解離形式 (HA) 與其共軛鹼形式 (A$^-$) 的濃度相等，即解離度為 50%。當 pH > pKa 時，溶液偏鹼性，有利於酸的解離，解離度大於 50%；反之，當 pH < pKa 時，溶液偏酸性，不利於酸的解離，解離度小於 50%。

解題步驟：

1. 理解題目資訊：

   • PCP 是一種弱酸。
   • 在 pH = 7.41 的人體體液中，PCP 有 99.7% 是以其離子形式 (PCP$^-$) 存在。
   • 這意味著未解離的 PCP (HA) 的比例僅為 100% - 99.7% = 0.3%。

2. 運用 Henderson-Hasselbalch 方程式：
   Henderson-Hasselbalch 方程式描述了弱酸的 pH、pKa 和其共軛鹼與未解離酸的比例之間的關係：
   $\text{pH} = \text{pKa} + \log_{10} \left( \frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]} \right)$
   其中，[A$^-$] 是共軛鹼的濃度，[HA] 是未解離酸的濃度。

3. 代入數值進行計算：

   • pH = 7.41
   • [A$^-$]/[HA] = 99.7% / 0.3% = 997 / 3 ≈ 332.33

   將這些數值代入 Henderson-Hasselbalch 方程式：
   $7.41 = \text{pKa} + \log_{10} (332.33)$

   計算 $\log_{10} (332.33)$：
   $\log_{10} (332.33) \approx 2.52$

   所以：
   $7.41 = \text{pKa} + 2.52$
   $\text{pKa} = 7.41 - 2.52$
   $\text{pKa} \approx 4.89$

結論： PCP 的 pKa 值約為 4.89。

【答案】PCP 的 pKa 值約為 4.89。

(b) 繪製 PCP 的 pH 物種分佈圖

核心觀念： 物種分佈圖 (Speciation Diagram) 顯示了在不同 pH 值下，一個化學物質的各種形式（物種）所佔的比例。對於一個單質子弱酸 HA，其主要存在的形式是未解離的 HA 和其共軛鹼 A$^-$。

繪製步驟：

1. 確定主要物種： PCP 為弱酸，在水溶液中主要以未解離的 PCP (HA) 和離子化的 PCP$^-$ (A$^-$) 形式存在。
2. 確定關鍵 pH 值： 關鍵 pH 值是該弱酸的 pKa 值。我們在 (a) 部分估計 pKa ≈ 4.89。
3. 理解比例與 pH 的關係：
   • 當 pH < pKa 時，溶液偏酸性，HA 的比例高，A$^-$ 的比例低。
   • 當 pH = pKa 時，[HA] = [A$^-$]，兩者的比例各為 50%。

本題主要考驗學生對環境化學中幾個重要現象的理解，包括配位化學、酸鹼平衡、氧化還原反應、溶解度平衡等，並要求結合化學平衡的觀念進行闡述。

(a) NTA (Nitrilotriacetic acid) 對受鎘污染湖泊沉積物移動性的影響

核心觀念： NTA 是一種強效的螯合劑 (chelating agent)，能與許多金屬離子（包括鎘 Cd$^{2+}$）形成穩定的錯合物。這種錯合物的形成會改變金屬離子在水體和沉積物之間的分配。

化學平衡闡述：
鎘 (Cd$^{2+}$) 在湖泊沉積物中通常以吸附或沉澱（如 CdCO$_3$ 或 Cd(OH)$_2$）的形式存在。這些形式的溶解度通常較低，使得鎘在水體中的濃度受到限制，大部分鎘被固定在沉積物中。

NTA (通常表示為 H$_3$NTA) 可以與 Cd$^{2+}$ 形成非常穩定的水溶性錯合物，例如 [Cd(NTA)]$^-$。這個反應可以用一個平衡式表示：
$\text{Cd}^{2+} (\text{aq}) + \text{NTA}^{3-} (\text{aq}) \rightleftharpoons [\text{Cd(NTA)}]^{-} (\text{aq})$
這個錯合物的形成常數 (formation constant, $K_f$) 非常大，意味著平衡會強烈地向右移動。

影響：

1. 增加溶解度： 由於 NTA 奪走了水體中和沉積物表面解離出來的 Cd$^{2+}$，根據勒沙特列原理 (Le Chatelier's principle)，沉積物中固定的 Cd$^{2+}$ 會傾向於解離進入水體以補充被 NTA 螯合的 Cd$^{2+}$。
2. 提高移動性： 形成的 [Cd(NTA)]$^-$ 錯合物是水溶性的，並且帶有負電荷，不易被沉積物吸附。因此，NTA 的存在會顯著提高鎘在水體中的溶解度，使其更容易從沉積物中釋放到水體中，進而增加其在環境中的移動性，可能擴大污染範圍或增加生物可利用性。

【答案】NTA 作為強螯合劑，能與 Cd$^{2+}$ 形成穩定的水溶性錯合物，打破沉積物中鎘的固體平衡，促使 Cd$^{2+}$ 從沉積物釋放到水體，從而增加鎘在水體中的濃度和移動性。

(b) pH 對次氯酸 (Hypochlorous Acid, HOCl) 消毒效果的影響

核心觀念： 次氯酸 (HOCl) 是主要的消毒殺菌物質，但它與其共軛鹼次氯酸根離子 (OCl$^-$) 之間存在一個 pH 依賴性的平衡。HOCl 的殺菌能力遠強於 OCl$^-$。

化學平衡闡述：
HOCl 是一種弱酸，其解離平衡如下：
$\text{HOCl} (\text{aq}) \rightleftharpoons \text{H}^+ (\text{aq}) + \text{OCl}^- (\text{aq})$
此反應的 pKa 值約為 7.53。

影響：

1. pH < pKa (酸性條件)： 在 pH 值低於 pKa (例如 pH < 7.5) 時，平衡偏向 HOCl 的方向，HOCl 的濃度較高。HOCl 較容易穿透微生物細胞膜，並與細胞內的蛋白質和核酸發生反應（如氧化、氯化），導致微生物死亡。因此，在酸性條件下，HOCl 的消毒效果較好。
2. pH = pKa (中性條件)： 在 pH = 7.53 時，HOCl 和 OCl$^-$ 的濃度相等，約各佔 50%。
3. pH > pKa (鹼性條件)： 在 pH 值高於 pKa (例如 pH > 8) 時，平衡偏向 OCl$^-$ 的方向，OCl$^-$ 的濃度較高。OCl$^-$ 帶負電，不易穿透帶負電的微生物細胞膜，且其氧化能力也較 HOCl 弱。因此，在鹼性條件下，HOCl 的消毒效果顯著下降。

結論： 為了達到最佳的消毒效果，應盡量維持 pH 在 7.5 以下，以提高 HOCl 的相對濃度。

【答案】pH 越低（越偏酸性），HOCl 的比例越高，其穿透細胞膜和殺菌能力越強，消毒效果越好。pH 越高（越偏鹼性），OCl$^-$ 的比例越高，消毒效果越差。

(c) pH 對使用生物固體 (Biosolids) 修復土壤時金屬離子移動性的影響

核心觀念： 生物固體（處理過的污水污泥）含有有機質和養分，常用於改良土壤。然而，生物固體也可能含有重金屬。pH 值會顯著影響土壤中金屬離子的溶解度和吸附行為。

化學平衡闡述：
金屬離子在土壤中的移動性受其在土壤顆粒上的吸附和在土壤溶液中的溶解度控制。

1. 酸性條件 (低 pH)：
   • 低 pH 值會增加土壤溶液中的 H$^+$ 濃度。
   • H$^+$ 會與土壤顆粒上的負電荷位點（如黏土礦物、有機質上的羧基）競爭吸附金屬離子，從而將部分已吸附的金屬離子解吸下來。
   • 同時，金屬離子的氫氧化物沉澱（如 M(OH)$_x$）在酸性條件下溶解度較高。
   • 因此，在低 pH 下，金屬離子傾向於以較為可溶和易移動的形式存在。
2. 中性至鹼性條件 (高 pH)：

本題考驗學生對電泳 (electrophoresis) 這一物理化學現象的定義及其在環境科學或相關領域的應用。

電泳 (Electrophoresis) 的定義

核心觀念： 電泳是一種利用帶電粒子在電場中移動的現象，來分離、鑑定或定量這些粒子的技術。

定義：
電泳是一種基於帶電粒子（如離子、蛋白質、核酸、膠體顆粒等）在外部電場作用下，朝著與其所帶電荷相反的電極移動的物理化學現象。粒子移動的速度取決於多種因素，包括：

• 粒子所帶電荷的強度和符號： 電荷越強，受到的電場力越大，移動越快。陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動。
• 粒子的大小和形狀： 較大的粒子在介質中受到的阻力較大，移動速度較慢。
• 電場強度： 電場越強，粒子移動速度越快。
• 介質的性質： 介質的黏度、離子強度、pH 值等都會影響粒子的移動速度。

在環境科學中，電泳通常用於分離和分析水體、土壤或微生物中的帶電物質。

電泳現象可實現的測量或應用

電泳現象具有廣泛的應用，尤其在分析和分離帶電物質方面：

1. 分離和鑑定生物分子：
   • DNA/RNA 電泳： 根據 DNA 或 RNA 片段的大小進行分離，用於基因測序、基因分型、分子診斷等。
   • 蛋白質電泳： 根據蛋白質的大小和電荷進行分離，如 SDS-PAGE (十二烷基硫酸鈉聚丙烯醯胺凝膠電泳) 分離蛋白質，用於蛋白質鑑定、純度分析、疾病診斷等。

本題主要考驗學生對三氯乙烯 (Trichloroethylene, TCE) 在好氧和厭氧環境下的生物降解機制，以及厭氧條件下有機物（蔗糖）的代謝和共代謝 (co-metabolism) 概念。

好氧菌如何分解三氯乙烯 (TCE)

核心觀念： 在氧氣充足的環境下，某些好氧微生物能利用特定的酶系統（如單加氧酶或雙加氧酶）直接氧化三氯乙烯，將其轉化為毒性較低的產物。

分解機制：
好氧菌分解 TCE 的過程通常需要特定的氧化酶，如單加氧酶 (monooxygenases) 或雙加氧酶 (dioxygenases)。這些酶利用分子氧 (O$_2$) 作為氧化劑，將 TCE 分解。常見的途徑包括：

1. 單加氧酶途徑：

   • 一種常見的酶是甲烷單加氧酶 (Methane Monooxygenase, MMO) 或甲苯雙加氧酶 (Toluene Dioxygenase, TDO) 的同源物。
   • 這些酶首先在 TCE 分子的一個碳原子上引入一個氧原子，形成一個不穩定的環氧化物中間體（如 2,2,3-trichlorooxirane）。
   • 這個環氧化物會迅速重排或水解，生成更易降解的產物，如 α-酮酸（如 2-氧代-3,3-二氯丙酸）或二氯乙醛。
   • 例如：
     $\text{TCE} + \text{O}_2 + \text{NAD(P)H} + \text{H}^+ \rightarrow \text{epoxide intermediate} + \text{NAD(P)}^+ + \text{H}_2\text{O}$
   • 隨後的步驟涉及水解、脫氯、脫羧等反應，最終可能生成 CO$_2$、H$_2$O 和 Cl$^-$。

2. 雙加氧酶途徑：

   • 某些雙加氧酶也能催化 TCE 的氧化，通常是在鄰近的碳原子上引入兩個氧原子。

總結好氧分解過程： 好氧菌利用其特異性的氧化酶，以分子氧為氧化劑，首先將 TCE 氧化，形成不穩定的中間產物，這些中間產物進一步水解、重排或脫氯，最終將 TCE 轉化為無毒的 CO$_2$ 和 H$_2$O。

可以分解 TCE 的一種好氧菌

• 菌種： Pseudomonas putida
  • Pseudomonas putida 的某些菌株，例如 G4 菌株，表達的甲苯雙加氧酶 (TDO) 能夠催化 TCE 的氧化。
• 其他菌種： Rhodococcus erythropolis、Mycobacterium vaccae 等。

【答案】好氧菌通過單加氧酶或雙加氧酶的催化，利用分子氧將三氯乙烯氧化為不穩定的中間產物，再經水解、脫氯等反應轉化為 CO$_2$ 和 H$_2$O。一種可分解 TCE 的好氧菌是 Pseudomonas putida。

厭氧環境下蔗糖的分解及對 TCE 分解的促進作用

核心觀念： 在絕對厭氧環境下，有機物（如蔗糖）可以通過厭氧發酵被厭氧菌分解，產生還原性物質（如 H$_2$）。這些還原性物質可以作為電子供體，促使 TCE 在厭氧條件下發生還原脫氯反應。TCE 的厭氧分解通常是通過共代謝 (co-metabolism) 方式進行，即 TCE 本身不是微生物的能量或碳源，但它與其他有機物的代謝過程偶聯發生。

蔗糖在絕對厭氧環境中的分解（厭氧發酵）

蔗糖 (C$_{12}$H$_{22}$O$_{11}$) 是一種雙醣，在厭氧環境下，它可以被多種厭氧菌通過發酵過程分解。這個過程通常涉及多個步驟，由不同的微生物群落協同完成：

1. 水解 (Hydrolysis)： 蔗糖首先被水解酶（如蔗糖酶）分解為單醣，主要是葡萄糖 (C$_6$H$_{12}$O$_6$) 和果糖 (C$_6$H$_{12}$O$_6$)。
   $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11} (\text{蔗糖}) + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{水解酶}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 (\text{葡萄糖}) + \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 (\text{果糖})$
2. 酸化 (Acidogenesis)： 單醣（葡萄糖、果糖）在厭氧條件下進一步發酵，被轉化為短鏈脂肪酸（如乙酸、丙酸、丁酸）、醇（如乙醇、丁醇）、CO$_2$ 和 H$_2$。
   • 例如，葡萄糖的發酵可以產生乙酸、CO$_2$ 和 H$_2$：
     $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 (\text{葡萄糖}) \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH} (\text{乙酸}) + 2\text{CO}_2 + 2\text{H}_2$

本題考驗學生對傳統微生物學培養方法和現代環境分子生物學方法在檢測水中大腸桿菌 (Escherichia coli, E. coli) 濃度方面的理解，並要求比較兩者的優缺點。

傳統培養微生物學方法分析水中大腸桿菌濃度

核心觀念： 傳統培養法是基於讓目標微生物在適當的培養基上生長繁殖，通過菌落計數或最確數法來估計樣品中的活菌數量。

方法舉例：

1. 濾膜培養法 (Membrane Filtration Method)：

   • 原理： 將一定量的水樣通過一個孔徑極小的濾膜（通常為 0.45 μm），將水中的微生物截留下來。然後將濾膜放在含有選擇性培養基的平板上進行培養。
   • 培養基： 常使用 Eosin Methylene Blue (EMB) 瓊脂培養基或 M-ColiBlue 24 培養基。大腸桿菌在 EMB 培養基上會形成具有金屬光澤的藍綠色菌落，這是因為它們能發酵乳糖並產生酸，與培養基中的染料反應。
   • 計數： 培養 24-48 小時後，統計濾膜上出現的典型菌落數量。
   • 計算濃度： 根據統計的菌落數和所過濾的水樣體積，計算出每單位體積（如每 100 mL）水樣中的大腸桿菌濃度 (CFU/100 mL)。

2. 最確數法 (Most Probable Number, MPN)：

   • 原理： 將一系列稀釋的水樣接種到多個含有液體培養基的試管中。通過觀察哪些試管出現細菌生長（通常伴隨產氣或顏色變化），並對照 MPN 表格，估計樣品中目標細菌（大腸桿菌）的平均濃度。
   • 培養基： 通常使用含有乳糖的液體培養基（如 Lauryl Tryptose Broth, LTB），在 35-37°C 培養 24-48 小時。若出現產氣，則陽性。進一步確認時，可取產氣試管的培養物接種到含有 EC 培養基（E. coli Broth）的試管中，在 44.5°C 培養，產氣則確認為大腸桿菌。
   • 計算濃度： 根據陽性試管的組合，查閱 MPN 表格，得出每單位體積（如每 100 mL）水樣的估計細菌濃度。

環境分子生物學方法分析水中大腸桿菌濃度

核心觀念： 分子生物學方法直接檢測目標微生物的特異性遺傳物質（DNA 或 RNA），不依賴於其培養活性，具有高度特異性和靈敏度。

方法舉例：

1. 聚合酶鏈式反應 (Polymerase Chain Reaction, PCR)：

   • 原理： PCR 技術能夠針對 E. coli 的特異性基因序列（如 uidA 基因，編碼 β-葡萄糖醛酸酶；或 ompC 基因，編碼外膜蛋白 C）進行體外擴增。
   • 步驟：
     • 從水樣中提取總 DNA (包含來自所有微生物的 DNA)。
     • 設計針對 E. coli 特異性基因的引物 (primers)。
     • 在 PCR 儀器中，通過變性、退火、延伸三個循環，將目標 DNA 片段進行指數級擴增。
     • 通過凝膠電泳檢測 PCR 產物，若出現預期長度的 DNA 條帶，則表明水樣中存在 E. coli。
   • 定量 (qPCR)： 實時定量 PCR (Quantitative PCR, qPCR) 則可以在 PCR 過程中實時監測 DNA 擴增量，通過與已知濃度的標準品對比，可以定量水中 E. coli 的 DNA 含量，進而估計 E. coli 的數量。

2. 基因芯片 (Gene Chip) 或 DNA 探針技術 (DNA Probe)：

   • 原理： 利用預先設計好的、與 E. coli 特異性基因序列互補的 DNA 探針，與從水樣中提取的總 DNA 或 PCR 擴增產物進行雜交。
   • 應用： 可用於同時檢測多種微生物，或在檢測到 PCR 陽性後進行進一步確認。