111 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》

本題主要考查環境微生物學中，關於有機污染物（以三氯乙烯 TCE 為例）在好氧與厭氧條件下的生物降解機制，並要求從微生物細胞能量學的角度進行闡述。

核心觀念：

• 好氧降解： 微生物利用氧氣作為最終電子接受者，將有機物氧化釋放能量。
• 厭氧降解： 微生物在無氧環境下，利用其他無機物（如硝酸鹽、硫酸鹽、鐵離子、二氧化碳等）作為最終電子接受者，將有機物氧化釋放能量。
• 細胞能量學： 微生物進行代謝反應以獲取 ATP（三磷酸腺苷），ATP 是細胞進行各種生命活動的直接能量來源。降解有機物的過程，本質上是將有機物中的化學能轉化為 ATP 的過程。

解題思路：
需分別闡述 TCE 在好氧與厭氧環境下的降解途徑，並連結到微生物如何從中獲取能量。

(a) 好氧降解 (Aerobic Degradation)

在好氧條件下，許多微生物可以利用氧氣作為最終電子接受者，將 TCE 進行氧化降解。這個過程通常需要特定的酶系統，例如單加氧酶 (monooxygenase) 或雙加氧酶 (dioxygenase)，它們能夠催化 TCE 的氧化反應。

1. 反應機制： 好氧菌利用氧氣（$O_2$）作為電子接受體，將 TCE 氧化。典型的反應途徑是通過加氧酶的作用，在 TCE 分子上引入羥基，形成不穩定的中間產物，進而水解、開環，最終分解為二氧化碳（$CO_2$）和水（$H_2O$）。
2. 能量獲取： 整個氧化過程釋放的能量，一部分被用於合成 ATP，以支持微生物的生長和代謝活動。TCE 被視為電子供體（電子來自 TCE 的碳原子），氧氣是最終電子接受體。電子通過一系列電子傳遞鏈傳遞，最終與氧氣結合生成水，並在過程中產生質子梯度，驅動 ATP 合成。
3. 細胞能量學連結： 微生物通過氧化 TCE 獲得能量，這個能量的轉化效率（即從 TCE 中提取多少能量用於 ATP 合成）決定了該微生物對 TCE 的降解能力和生長速率。好氧降解通常比厭氧降解能釋放更多的能量，因此在有氧條件下，微生物的生長和降解效率可能更高。

(b) 厭氧降解 (Anaerobic Degradation)

在厭氧條件下，TCE 的降解途徑與好氧條件下顯著不同，通常採用還原脫氯 (reductive dechlorination) 的方式進行。

本題主要考查環境微生物學中氮循環的關鍵過程，特別是兩種硝酸鹽（$NO_3^-$）的還原途徑：硝酸鹽異化還原為氨氮（DNRA）和脫硝作用（Denitrification）。

核心觀念：

• 硝酸鹽（Nitrate）： 氮循環中的一種含氧化態氮形式，通常作為氧化劑。
• 異化作用 (Dissimilatory)： 微生物利用某種物質作為能量來源或電子接受者，但該物質的最終產物不被併入微生物的細胞組分中。
• 同化作用 (Assimilatory)： 微生物將某種物質作為細胞生長和合成的原料，最終產物會併入細胞組分中。
• 電子接受者： 在呼吸作用中，接受電子並被還原的物質。
• 電子供體： 在呼吸作用中，提供電子的物質，通常是有機物或無機物。

解題思路：
需要分別定義 DNRA 和 Denitrification，然後從反應物、產物、電子供體、能量獲取、環境條件、以及在氮循環中的作用等角度進行比較。

(a) 硝酸鹽異化還原為氨氮 (Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonia, DNRA)

1. 定義： DNRA 是一種微生物過程，其中硝酸鹽（$NO_3^-$）被還原為氨氮（$NH_3$ 或 $NH_4^+$），作為一種能量獲取的代謝途徑。硝酸鹽在此過程中作為最終電子接受者。
2. 反應式（簡化）：
   $NO_3^- \xrightarrow{e^-} NO_2^- \xrightarrow{e^-} NO \xrightarrow{e^-} N_2O \xrightarrow{e^-} N_2$ (Denitrification 途徑)
   $NO_3^- \xrightarrow{e^-} NO_2^- \xrightarrow{e^-} NH_2OH \xrightarrow{e^-} NH_3$ (DNRA 途徑)
   一個典型的 DNRA 反應式（以有機物為電子供體，如乙酸鹽）：
   $2NO_3^- + 5CH_3COOH + 4H^+ \rightarrow 2NH_4^+ + 5CO_2 + 4H_2O$
   （注意：實際的反應步驟可能更複雜，涉及亞硝酸鹽、亞硝酸根等中間產物，但最終產物是氨氮）
3. 電子供體： 通常是有機物（如乙酸、葡萄糖、乳酸）或無機物（如 $H_2$、$H_2S$）。
4. 能量獲取： 微生物通過將硝酸鹽還原為氨氮，從電子供體中獲取能量，用於 ATP 的合成。
5. 環境條件： DNRA 通常發生在缺氧或低氧的環境中，且有機物濃度較高、硫化物濃度較低時，與脫硝作用競爭電子供體。
6. 在氮循環中的作用： DNRA 將硝酸鹽轉化為氨氮，這是一個將硝酸鹽（一種易被植物吸收的形態）轉化為氨氮（另一種植物可吸收的形態，但也可能被進一步硝化或揮發）的過程。它會使氮素保留在水體或土壤系統中，而不是以氣態氮（$N_2$）的形式逸出。

(b) 脫硝作用 (Denitrification)

1. 定義： 脫硝作用是指一系列的微生物過程，其中硝酸鹽（$NO_3^-$）被逐步還原，最終產物是氣態氮（$N_2$）。硝酸鹽在此過程中也作為最終電子接受者。
2. 反應式（簡化）：
   $NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO \rightarrow N_2O \rightarrow N_2$
   一個典型的脫硝反應式（以有機物為電子供體，如乙酸鹽）：
   $2NO_3^- + 5CH_3COOH \rightarrow N_2 + 5CO_2 + 3H_2O + 2OH^-$
   （注意：這裡的 $OH^-$ 是為了平衡電荷，實際反應可能與 pH 相關）
3. 電子供體： 與 DNRA 類似，通常是有機物（如乙酸、葡萄糖、乳酸）或無機物（如 $H_2$、$H_2S$）。
4. 能量獲取： 微生物通過將硝酸鹽逐步還原為氣態氮，從電子供體中獲取能量，用於 ATP 的合成。
5. 環境條件： 脫硝作用也發生在缺氧或低氧環境中。它與好氧呼吸作用（以 $O_2$ 為最終電子接受者）競爭有機物。
6. 在氮循環中的作用： 脫硝作用是氮循環中唯一能將溶解態的氮素（硝酸鹽）轉化為氣態氮（$N_2$）的過程，從而將氮素從生物圈中移除，達到“脫氮”的效果。

(c) 比較 (Comparison)

| 特徵 | 硝酸鹽異化還原為氨氮 (DNRA) | 脫硝作用 (Denitri

本題考查環境化學中，關於砷（Arsenic, As）在地下水中的物種分佈、pH 影響以及碳酸鹽緩衝系統的特性，並結合微生物活動對砷形態的影響。

核心觀念：

• 砷的氧化態： 砷在環境中常見的氧化態為 +3（三價，如 $H_3AsO_3$）和 +5（五價，如 $H_3AsO_4$）。
• pH 對砷物種的影響： 砷的形態（酸、鹼、中性）取決於其氧化態以及水的 pH 值。
• 碳酸鹽緩衝系統： $CO_2$、$H_2CO_3$、$HCO_3^-$、$CO_3^{2-}$ 之間的平衡，能抵抗 pH 的劇烈變化。
• 微生物活動與砷： 厭氧微生物的代謝活動可能影響砷的氧化還原狀態，並促進其溶解。
• 溶解度與 pH： 某些砷化合物的溶解度隨 pH 變化。

解題思路：

1. 判斷砷的初始物種： 根據地下水的 pH 值、厭氧環境、微生物活動，判斷砷是以 +3 或 +5 價態為主。
2. 預測 pH 和鹼度變化： 考慮地下水與大氣接觸後，二氧化碳的溶解及其與碳酸鹽系統的交互作用，預測 pH 和鹼度的變化。

(a) 預測地下水剛抽出時的砷物種

1. 環境條件：

   • 厭氧環境： 化糞池洩漏導致厭氧微生物活躍，這通常意味著還原性較強的環境。
   • 微生物刺激： 微生物活躍促進砷從固相進入水相。
   • pH = 6： 這是弱酸性條件。
   • 總鹼度： $6 \times 10^{-4}$ eq/L，相對較低，但來自碳酸鹽系統。

2. 砷的氧化還原電位：

   • 在還原性環境（厭氧）下，As(+3) 相較於 As(+5) 更穩定。
   • 雖然微生物活動可能涉及砷的氧化還原，但厭氧環境本身傾向於維持較低的氧化還原電位，有利於 As(+3) 的存在。

3. pH 對砷物種的影響：

   • 五價砷 (As(+5))： 砷酸 ($H_3AsO_4$) 是弱酸。其 pKa1 約為 2.2，pKa2 約為 6.7，pKa3 約為 11.6。
     • pH < 2.2: $H_3AsO_4$ (中性)
     • 2.2 < pH < 6.7: $H_2AsO_4^-$ (一價陰離子)
     • 6.7 < pH < 11.6: $HAsO_4^{2-}$ (二價陰離子)
     • pH > 11.6: $AsO_4^{3-}$ (三價陰離子)
   • 三價砷 (As(+3))： 亞砷酸 ($H_3AsO_3$) 也是弱酸。其 pKa1 約為 9.2。
     • pH < 9.2: $H_3AsO_3$ (中性)
     • pH > 9.2: $H_2AsO_3^-$ (一價陰離子)

4. 綜合判斷：

   • 地下水 pH 為 6。
   • 在 pH=6 時，對於五價砷，主要形態是 $H_2AsO_4^-$。
   • 在 pH=6 時，對於三價砷，主要形態是 $H_3AsO_3$。
   • 考慮到厭氧環境和微生物的還原作用，三價砷 (As(+3)) 在此條件下更可能佔據主導地位，因為 As(+3) 在還原性條件下更為穩定，且 pH=6 遠低於其 pKa，使其主要以中性分子 $H_3AsO_3$ 形式存在。五價砷在此 pH 下雖以 $H_2AsO_4^-$ 形式存在，但其在還原性環境下的穩定性相對較差。
   • 此外，一些文獻指出，在低 pH 和還原條件下，砷酸鹽（As(+5)）可以被還原為亞砷酸鹽（As(+3)）。

   預測： 剛抽出時，主要的砷物種是三價砷 ($H_3AsO_3$)。

(b) 預測與大氣平衡後的 pH 值與鹼度變化

1. 與大氣平衡的過程：

   • 地下水與大氣接觸後，大氣中的二氧化碳 ($CO_2$) 會溶解到水中。
   • 溶解的 $CO_2$ 與水反應生成碳酸 ($H_2CO_3$)。
   • 碳酸系統的平衡：$CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^- \rightleftharpoons 2H^+ + CO_3^{2-}$

2. pH 變化：

   • 地下水 pH=6，鹼度低。
   • 大氣中的 $CO_2$ 分壓約為 $4 \times 10^{-4}$ atm。
   • 當地下水與大氣接觸時，由於水中溶解的 $CO_2$ 分壓通常低於大氣分壓，會從大氣向水中溶解 $CO_2$。
   • $CO_2$ 溶解後，會形成碳酸，並解離出 $H^+$。

本題考查環境微生物學與環境化學的結合，涉及奈米銀（AgNPs）的殺菌機制、氧化還原反應以及熱力學參數（標準自由能變化 $\Delta G^\circ$）在預測反應方向和潛在能量釋放中的應用。

核心觀念：

• 奈米銀的殺菌機制： 主要通過釋放銀離子（Ag(I)）來實現，Ag(0) 需要氧化為 Ag(I)。
• 氧化還原反應： 涉及電子轉移的反應。Ag(0) 被氧化成 Ag(I)，而其他物質（如脫硝過程中的氮氧化物）被還原。
• 標準自由能變化 ($\Delta G^\circ$)： 熱力學參數，用於判斷反應在標準條件下的自發性。
  • $\Delta G^\circ < 0$：反應是自發的（有利於向產物方向進行）。
  • $\Delta G^\circ > 0$：反應是非自發的（不利於向產物方向進行）。
• 吉布斯自由能與標準電位關係： $\Delta G^\circ = -nFE^\circ$，其中 $n$ 是轉移的電子數，$F$ 是法拉第常數，$E^\circ$ 是標準電位差。$\Delta G^\circ < 0$ 對應 $E^\circ > 0$。
• 反應的能量釋放： $\Delta G^\circ$ 的絕對值越大，代表反應釋放的能量越多（如果 $\Delta G^\circ < 0$），或反應需要輸入的能量越多（如果 $\Delta G^\circ > 0$）。

解題思路：

1. 確認 AgNPs 的殺菌機制： 殺菌效果依賴於 Ag(0) 氧化為 Ag(I)。
2. 分析脫硝過程中的氮物種： 脫硝過程涉及 $NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO \rightarrow N_2O \rightarrow N_2$ 的還原。
3. 利用 $\Delta G^\circ$ 預測反應的自發性： 檢視表中給出的 Ag(0) 與不同氮氧化物反應的 $\Delta G^\circ$ 值。
4. 連結 $\Delta G^\circ$ 與殺菌效果： 討論 $\Delta G^\circ$ 的值如何反映 Ag(0) 氧化為 Ag(I) 的潛在能量釋放，進而推斷殺菌的程度與效率。

(a) 奈米銀在脫硝狀態下的殺菌效果預測

答案： 是的，可以藉由表格中的標準自由能變化 ($\Delta G^\circ$) 來預測奈米銀在脫硝狀態下的殺菌效果。

說明：

1. 殺菌機制與 Ag(0) 氧化：
   題目已明確指出，奈米銀的殺菌活性主要來自於釋放的銀離子 Ag(I)，而非零價銀顆粒 Ag(0)。因此，Ag(0) 必須被氧化成 Ag(I) 才能產生殺菌作用。這個氧化過程需要一個電子接受者。在脫硝的環境中，脫硝過程產生的各種氮氧化物（如 $NO_3^-, NO_2^-, NO, N_2O$）可以作為潛在的電子接受者，與 Ag(0) 發生氧化還原反應。

2. $\Delta G^\circ$ 的意義：
   標準自由能變化 ($\Delta G^\circ$) 的符號和大小可以告訴我們反應在標準狀態下是否自發，以及反應釋放或吸收能量的程度。

   • 負值 ($\Delta G^\circ < 0$)： 表示反應是自發的，有利於向產物方向進行。 $\Delta G^\circ$ 的絕對值越大，表示反應越自發，釋放的能量越多。
   • 正值 ($\Delta G^\circ > 0$)： 表示反應是非自發的，需要外部能量輸入才能進行。

3. 分析表格中的反應：
   表格中列出了 Ag(0) 與脫硝過程中可能出現的幾種氮氧化物（$NO_3^-, NO_2^-, NO, N_2O$）的反應，以及對應的 $\Delta G^\circ$ 值。這些反應的共同特徵是 Ag(0) 被氧化成 Ag(I)，而氮氧化物被還原成 $N_2$。

   • 反應 1：Ag(0) + $NO_3^-$ $\rightarrow$ Ag(I) + $N_2$
     $\Delta G^\circ = -41.22$ kJ/mol。
     此反應為自發反應 ($\Delta G^\circ < 0$)。這意味著在標準條件下，Ag(0) 可以與硝酸鹽反應，生成銀離子 Ag(I) 和氮氣 $N_2$。這個反應釋放出能量。