108 年 國立中央大學環境工程研究所甲組《環境化學及環境微生物學》

本題主要探討奈米顆粒對細菌的毒性及其作用機制，並連結至革蘭氏染色與內孢子生成。

核心觀念：

1. 奈米顆粒的毒性機制：金屬型 (釋放金屬離子) vs. 碳材型 (直接接觸破壞細胞膜)。
2. 革蘭氏陽性菌與陰性菌的細胞結構差異 (細胞壁厚度、有無外膜)。
3. 內孢子 (endospore) 的生成與環境壓力。

(1) CdSe 量子點與碳材奈米顆粒對革蘭氏陽性菌與陰性菌的毒性差異

• CdSe 量子點 (圖 a)：

  • 對 B. subtilis (革蘭氏陽性菌)： 在 weathered (風化) 處理後，CdSe 量子點對 B. subtilis 的生長有明顯抑制作用，顯示風化釋放的金屬離子 (Cd²⁺, Se²⁻) 具有毒性。未風化 (coated) 的 CdSe 量子點對生長影響較小。
  • 對 E. coli K-12 (革蘭氏陰性菌)： CdSe 量子點 (coated 或 weathered) 對 E. coli K-12 的生長抑制作用均較小，甚至未風化處理組的生長曲線與 control 相似，顯示其毒性較不明顯。
  • 差異總結： CdSe 量子點對革蘭氏陽性菌 B. subtilis 的毒性明顯高於對革蘭氏陰性菌 E. coli K-12，且此毒性主要與風化後釋放的金屬離子有關。

• 碳材奈米顆粒 (圖 b)：

  • 對 B. subtilis (革蘭氏陽性菌)： C60、SWNT、MWNT 對 B. subtilis 的細胞滅活率 (Inactivated Cells) 均顯著高於 control 組，其中 SWNT 及 MWNT 的毒性尤其明顯。
  • 對 E. coli K-12 (革蘭氏陰性菌)： C60、SWNT、MWNT 對 E. coli K-12 的細胞滅活率也高於 control 組，但相較於 B. subtilis，其毒性程度較低。例如，SWNT 對 B. subtilis 的滅活率約 80%，而對 E. coli K-12 約 50%。
  • 差異總結： 碳材奈米顆粒 (C60, SWNT, MWNT) 對革蘭氏陽性菌 B. subtilis 的毒性普遍高於對革蘭氏陰性菌 E. coli K-12。

【答案】CdSe 量子點對革蘭氏陽性菌 B. subtilis 的毒性高於對革蘭氏陰性菌 E. coli K-12，且其毒性與風化後釋放金屬離子有關。碳材奈米顆粒對兩者均有毒性，但對革蘭氏陽性菌的毒性普遍高於對革蘭氏陰性菌。

(2) 毒性差異的細胞結構解釋

革蘭氏陽性菌和陰性菌在細胞結構上的主要差異在於細胞壁和外膜。

本題探討六價鐵 (高鐵酸鹽) 處理有機砷 (氨基苯砷酸) 的化學機制及生態毒性評估，並比較不同形態砷的毒性。

核心觀念：

1. 氧化還原反應：六價鐵 (Fe(VI)) 為強氧化劑，可氧化三價砷 (As(III)) 和有機砷。
2. 奈米顆粒與生物毒性。
3. 環境友善工法評估。

(1) 高鐵酸鹽處理氨基苯砷酸的可能化學機制

圖 (a) 顯示了在混合 Fe(VI) 和 p-ASA 後，不同砷物種 (p-ASA, As(V), As(III)) 隨時間的濃度變化。

• 觀察：

  • p-ASA (有機砷) 的濃度在反應初期 (約 0-30 秒) 快速下降。
  • As(III) (無機三價砷) 的濃度在 p-ASA 下降的同時，先有短暫上升後快速下降。
  • As(V) (無機五價砷) 的濃度在反應初期 (約 0-30 秒) 快速上升，然後在較長的時間 (約 30-90 秒) 內緩慢下降。
  • Total As (總砷) 的濃度在整個過程中保持相對穩定，這表明砷元素沒有從系統中移除，只是其形態發生了變化。

• 推論機制：

  1. Fe(VI) 氧化 p-ASA： Fe(VI) 是一種強氧化劑，它會氧化有機砷 p-ASA。這個過程會將 p-ASA 分解，釋放出無機砷。由於 Fe(VI) 具有強氧化性，它很可能將 p-ASA 的有機部分氧化分解，同時也可能將 p-ASA 中的砷從某種氧化態氧化成 As(III) 或 As(V)。
  2. Fe(VI) 氧化 As(III)： 實驗中也存在無機三價砷 (As(III))，Fe(VI) 同樣會氧化 As(III) 為 As(V)。圖中 As(III) 先上升後下降，可能表示 p-ASA 分解產生了 As(III)，隨後 As(III) 又被 Fe(VI) 氧化成 As(V)。
  3. Fe(VI) 還原為 Fe(III)： Fe(VI) 在氧化過程中會被還原，最終主要轉化為 Fe(III)。根據題幹提示，Fe(III) 會產生沉澱。圖中 As(V) 的濃度在初期上升後緩慢下降，可能與 Fe(III) 沉澱的形成有關，沉澱可能吸附了部分 As(V)。
  4. 總結： Fe(VI) 首先氧化氨基苯砷酸 (p-ASA)，將其分解並可能轉化為無機砷。同時，Fe(VI) 也氧化系統中可能存在的 As(III) 為 As(V)。整個過程是 Fe(VI) 的氧化還原反應，最終產物包含 Fe(III) 沉澱和不同形態的無機砷。

【答案】高鐵酸鹽 (Fe(VI)) 作為強氧化劑，首先氧化氨基苯砷酸 (p-ASA)，將其分解並轉化為無機砷物種 (As(III) 和 As(V))。同時，Fe(VI) 也將系統中的 As(III) 進一步氧化為 As(V)。Fe(VI) 在此過程中被還原為 Fe(III)，並可能形成 Fe(OH)₃ 沉澱，該沉澱可能對 As(V) 產生一定的吸附作用。

(2) 高級氧化法是否生態友善？背後原因

圖 (b) 比較了 E. coli K12 的生長情況：

• Control： 未添加任何物質的培養液，E. coli K12 生長良好。
• p-ASA (起始濃度 5 µM)： 單獨添加 p-ASA (有機砷)，E. coli K12 的生長受到嚴重抑制，幾乎無法生長，顯示 p-ASA 具有很高的毒性。

本題探討利用微生物進行地下水污染的現地生物復育，重點在於還原反應和電子傳遞鏈。

核心觀念：

1. 微生物的電子受體排序 (呼吸鏈)。
2. 氧化還原反應與污染物轉化。
3. 地下水污染物監測。

(1) 現地生物復育操作與成功關鍵

操作目標： 將水溶性高的六價鉻 (Cr⁶⁺) 還原為水溶性低的三價鉻 (Cr³⁺)，以減少其擴散和毒性。

操作原理： 利用地下水中原生異營菌的呼吸作用。當環境中的電子受體 (如 O₂, NO₃⁻) 被消耗後，細菌會依序利用其他電子受體，包括鐵離子 (Fe³⁺)、硫酸鹽 (SO₄²⁻) 等，最終到甲烷生成。在此過程中，某些細菌 (特別是鐵還原菌) 可以利用有機物作為電子供體，將 Fe³⁺ 還原為 Fe²⁺，同時也可能將 Cr⁶⁺ 還原為 Cr³⁺。

操作步驟與成功關鍵：

1. 添加電子供體 (還原劑)： 由於地下水層受污染，原有的有機質可能不足以支持大量的還原反應。因此，需要向污染區域注入合適的電子供體，例如：

   • 有機物： 如乙酸鈉、葡萄糖、乳酸鈉、乙醇等。這些有機物可以作為異營菌的碳源和電子供體。
   • 其他還原劑： 如亞鐵鹽 (Fe²⁺) 等，直接提供電子。
   • 關鍵： 選擇易於被本地微生物利用且不會造成二次污染的電子供體。

2. 創造厭氧或缺氧環境： Cr⁶⁺ 的還原需要厭氧條件。在注入電子供體後，細菌會消耗水中的溶解氧 (O₂) 和硝酸鹽 (NO₃⁻)。注入的有機物會促進好氧菌和脫硝菌的活動，快速消耗 O₂ 和 NO₃⁻，從而為後續的鐵還原菌等厭氧菌創造有利的生長和代謝條件。

3. 促進鐵還原菌的活性： 鐵礦含量豐富的地下水層為鐵還原菌提供了豐富的 Fe³⁺ 作為電子受體，以及注入的有機物作為電子供體。鐵還原菌會將 Fe³⁺ 還原為 Fe²⁺。

   • 關鍵： 確保有足夠的 Fe³⁺ 和有機物，並維持適當的 pH 和溫度。

4. Cr⁶⁺ 的還原：

   • 直接還原： 部分微生物可以直接利用 Cr⁶⁺ 作為電子受體，將其還原為 Cr³⁺。
   • 間接還原： 更常見的是，由鐵還原菌產生的 Fe²⁺ 可以作為一種強還原劑，化學性地或通過微生物催化將 Cr⁶⁺ 還原為 Cr³⁺。Fe²⁺ + Cr⁶⁺ → Fe³⁺ + Cr³⁺。這也是提示中所強調的「二價鐵可視為效果極佳的還原劑」。
   • 關鍵： 確保 Fe²⁺ 的產生量足夠，並有足夠的接觸時間讓還原反應發生。

5. 監測與調整： 持續監測關鍵參數，如 O₂、NO₃⁻、Fe²⁺、Cr⁶⁺、Cr³⁺ 的濃度，以及 pH 值、ORP (氧化還原電位) 等。

   • 成功的指標： Cr⁶⁺ 濃度顯著下降，Cr³⁺ 濃度上升，Fe²⁺ 濃度維持在一定水平（表示持續還原能力），O₂ 和 NO₃⁻ 濃度下降，ORP 降低。
   • 調整： 根據監測結果，可能需要補充電子供體，或調整注入速率。

6. Cr³⁺ 的沉澱： Cr³⁺ 在大多數地下水條件下溶解度較低，會形成 Cr(OH)₃ 等沉澱，從而固定在原地，減少其遷移。

總結操作步驟：

1. 評估現場條件，確定污染物種類、濃度、地下水流動情況、微生物群落組成等。
2. 選擇合適的電子供體 (如有機物)。
3. 通過注水井將電子供體注入污染區域。
4. 監測 O₂, NO₃⁻, Fe²⁺, Cr⁶⁺, Cr³⁺ 等關鍵參數的濃度變化。
5. 持續補充電子供體，維持還原環境，直到 Cr⁶⁺ 濃度達到排放標準或不再擴散。

【答案】現地生物復育的操作關鍵在於：

1. 添加電子供體： 注入有機物（如乙酸鈉、葡萄糖）作為還原劑和微生物碳源。
2. 創造厭氧環境： 通過消耗 O₂ 和 NO₃⁻，為厭氧菌（特別是鐵還原菌）創造條件。