114 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》

此題考驗對氧化還原反應中電子供體與電子接受者的判斷。電子供體是失去電子的物質，其氧化數會升高；電子接受者是得到電子的物質，其氧化數會降低。

觀察反應式：4 Formate + H₂SO₄ → H₂S + 4 CO₂ + 2H₂O

1. 分析 Formate (HCOO⁻) 的氧化數變化：
   在 Formate 中，碳的氧化數通常為 +2 (假設 H 為 +1, O 為 -2)。
   在 CO₂ 中，碳的氧化數為 +4。

此題在測試對微生物代謝過程及 ATP 生成機制的基本觀念。

(1) 微生物分解外界有機物以獲取能量和構建自身細胞的過程，稱為分解代謝 (Catabolism)。而將簡單分子組合成複雜分子的過程，用於細胞生長和修復，則稱為合成代謝 (Anabolism)。題目描述的「分解受質，並轉化為自身細胞菌體」包含了能量獲取（分解）和物質構建（轉化為菌體），但更側重於分解有機物以獲取能量和構建自身。然而，若嚴格區分，分解有機物獲取能量是 Catabolism，利用這些能量及分解產物構建自身細胞是 Anabolism。題目敘述「分解受質，並轉化為自身細胞菌體」最貼切的描述是生物體利用外界物質來構建自身，這是合成代謝 (Anabolism) 的概念，因為它利用分解產物來構建細胞。

核心觀念
DNA 的雙股具有 5′→3′ 與 3′→5′ 方向，互補配對遵循 A↔T、C↔G（RNA 中以 U 取代 T）。在轉錄時，RNA 聚合酶以 模板鏈（3′→5′） 為藍本，以互補配對合成 mRNA（5′→3′）。

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解題步驟

1. 判斷給定序列的角色
   題目給出的 DNA 為 5'-AACCGGTT-3'，在多數分子生物題目中此序列視為「編碼股（coding strand）」，亦即與 mRNA 序列相同（除 T 換成 U）。因此需要先寫出 模板股（antisense strand）。

2. 寫出模板股（3′→5′）

   • 先將每個鹼基取互補：
     $\text{A}\rightarrow\text{T},\;\text{C}\rightarrow\text{G},\;\text{G}\rightarrow\text{C},\;\text{T}\rightarrow\text{A}$
   • 原序列 $5'‑\text{A A C C G G T T}‑3'$ 的互補序列為 $3'‑\text{T T G G C C A A}‑5'$。

此題考驗對微生物生長曲線各階段特徵的理解。微生物生長曲線通常包含四個主要時期：遲滯期 (Lag Phase)、對數期 (Log Phase)、穩定期 (Stationary Phase) 和死亡期 (Death Phase)。

• 遲滯期 (Lag Phase)： 微生物剛進入新環境，尚未開始快速生長，細胞進行適應。此時期細胞數變化不大。
• 對數期 (Log Phase)： 微生物進行快速增殖，細胞數呈指數級增長。

此題考驗對微生物能量代謝中，電子接受者角色的理解。

• Respiration (呼吸作用)： 是一種能量代謝過程，其中有機物被氧化分解以產生 ATP。在呼吸作用中，電子最終被傳遞給一個外源性的電子接受者。在好氧呼吸 (Aerobic Respiration) 中，這個電子接受者是氧氣 (O₂)。在厭氧呼吸 (Anaerobic Respiration) 中，電子接受者是氧氣以外的無機物，如硝酸鹽 (NO₃⁻)、硫酸鹽 (SO₄²⁻)、亞硫酸鹽 (SO₃²⁻) 或鐵離子 (Fe³⁺) 等。題目中提到「異源電子接受者(如氧氣)參與進行」，這明確指向呼吸作用。

此題考驗對葡萄糖代謝（糖解作用，Glycolysis）產物的掌握。糖解作用發生在細胞質中，將一分子的葡萄糖 (Glucose) 分解為兩分子的丙酮酸 (Pyruvate)，同時淨生成少量 ATP 和 NADH。

糖解作用的主要產物包括：

• 丙酮酸 (Pyruvate)： 兩分子。
• ATP： 總共產生 4 分子，淨生成 2 分子（因為起始階段消耗 2 分子 ATP）。
• NADH： 兩分子。NADH 是還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸，是能量載體，在後續的呼吸作用中可以產生更多 ATP。

核心觀念

本題考查微生物依「碳源」所作的營養分類，以及常見環境微生物的代謝特性。

1. Autotrophic 菌（自營菌）

   以無機碳，主要是二氧化碳 $\mathrm{CO_2}$，合成細胞有機物：

   $\mathrm{CO_2 \rightarrow 細胞有機物}$

   能量來源可能是光能，也可能是無機物氧化所產生的化學能。

2. Heterotrophic 菌（異營菌）

   以有機物作為主要碳源，利用有機物合成細胞物質，並可能同時從有機物取得能量。

3. 碳源、能源與電子供給者不可混為一談

   • Autotrophic／Heterotrophic：看碳源是 $\mathrm{CO_2}$ 還是有機物。
   • Phototrophic／Chemotrophic：看能量來自光能還是化學能。
   • Lithotrophic／Organotrophic：看電子供給者是無機物還是有機物。

   因此，「硝酸還原」或「硫氧化」本身是代謝反應，不能單獨直接決定微生物一定屬於自營菌或異營菌。

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解題方法

逐一檢查各選項是否符合下列判斷：

• 自營菌：主要以 $\mathrm{CO_2}$ 為碳源。
• 異營菌：主要以有機物為碳源。
• 固氮能力是氮代謝特性，不等同於自營或異營。
• 代謝名稱須搭配其碳源與能源，不能只看「硝酸還原」、「硫氧化」等反應名稱。
• 再利用典型微生物作交叉驗證，例如藍綠菌、大腸桿菌。

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選項分析

(A) Autotrophic 菌唯一碳源為有機物，而 Heterotrophic 菌碳源為二氧化碳。

錯誤。

敘述將兩者的定義完全顛倒：

• Autotrophic 菌主要利用無機碳，尤其是 $\mathrm{CO_2}$。
• Heterotrophic 菌主要利用有機物作為碳源。

因此正確說法應為：

Autotrophic 菌以二氧化碳等無機碳為主要碳源；Heterotrophic 菌以有機物為主要碳源。

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(B) Autotrophic 菌可以固氮，而 Heterotrophic 菌無法固氮。

錯誤。

固氮是將大氣中的氮氣轉換為氨的反應：

$\mathrm{N_2 \rightarrow NH_3}$

此反應由固氮酶系統催化，是否能固氮取決於微生物是否具有固氮相關基因與酵素，與其碳源分類並不等價。

部分自營菌能固氮，例如某些藍綠菌；但部分異營菌也能固氮，例如根瘤菌、固氮菌及某些其他細菌。因此：

• 不是所有 Autotrophic 菌都能固氮。
• Heterotrophic 菌也不是全部都無法固氮。

故本選項的「異營菌無法固氮」為錯誤敘述。

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(C) 藍綠菌為 Autotrophic 菌，大腸桿菌為 Heterotrophic 菌。

正確。

此題考驗對革蘭氏陽性菌 (Gram-positive bacteria) 和革蘭氏陰性菌 (Gram-negative bacteria) 的結構、染色特性及代表性菌種的區別。

我們逐一分析各選項：

(A) 「經革蘭氏染色後,陽性菌呈現紅色,陰性菌呈現紫藍色。」
* 革蘭氏染色 (Gram stain) 的結果是：革蘭氏陽性菌因其厚肽聚醣層能保留結晶紫染劑，呈現紫藍色。革蘭氏陰性菌則無法保留結晶紫，會被後續的複紅染劑染色，呈現紅色。
* 此敘述顛倒了顏色，是錯誤的。

(B) 「革蘭氏陰性菌具有外膜。」
* 革蘭氏陰性菌的細胞壁結構比陽性菌複雜，除了肽聚醣層較薄外，還具有一層外膜 (outer membrane)。外膜含有脂多醣 (lipopolysaccharide, LPS)，對細菌的毒性和免疫反應很重要。
* 此敘述是正確的。

此題考驗對水質指標生物的認識，特別是與低溶氧環境相關的生物。

水體中的溶氧量是衡量水質的重要指標。當河川受到有機物污染時，微生物分解有機物的過程會消耗大量氧氣，導致溶氧量急劇下降。一些水生生物對低溶氧環境非常敏感，而另一些則能適應甚至在極低溶氧條件下生存。

• (A) 蒼蠅 (Fly)： 蒼蠅的幼蟲（蛆）生活在不同的環境，有些種類的蛆（如某些雙翅目幼蟲）確實耐低氧，生活在有機污染嚴重的水體中。
• (B) 鞭毛蟲 (Flagellate)： 鞭毛蟲是一類單細胞生物，許多種類存在於水體中。一些鞭毛蟲對水質有一定的指示作用，但並非專門指示極低溶氧。
• (C) 變形蟲 (Amoeba)： 變形蟲也是單細胞生物，廣泛存在於各種水環境中。

核心觀念

本題考查酵素（enzyme）的基本特性。酵素是由生物體產生的催化劑，主要作用是與特定受質結合，降低反應所需的活化能，使反應速率加快。

酵素具有以下重要特性：

1. 具有高度專一性。
2. 可降低反應的活化能。
3. 會受到 pH、溫度、抑制劑及重金屬等因素影響。
4. 本身不會被反應永久消耗。
5. 不改變反應的平衡常數與平衡位置，只加速達到平衡的過程。
6. 酵素經固定化後，可與反應物分離並重複使用。

解題方法

判斷每個選項是否符合酵素催化作用的基本定義：

• 若敘述涉及酵素能否回收、重複使用，判斷其是否被反應消耗。
• 若涉及專一性，判斷酵素與其他催化材料相比是否具有較特定的受質辨識能力。
• 若涉及穩定性，檢查 pH、溫度等環境條件是否會影響酵素結構與活性。
• 若涉及活化能，區分「改變活化能」與「改變平衡位置」。
• 若涉及平衡，應記住酵素可加快正、逆反應，使系統較快達到平衡，但不改變平衡狀態。

選項分析

(A) 固定化之酵素可在反應後被重複使用。

正確。

固定化酵素是將酵素附著、包埋或鍵結於不溶性載體上，使酵素與反應液容易分離。反應完成後，可回收固定化酵素並再次使用。

酵素在催化反應中通常不會被永久消耗，因此固定化可提高其回收性、操作穩定性及經濟效益。

(B) 酵素的專一性相對金屬有機架構催化劑高。

正確。

酵素的活性部位具有特定的立體結構與化學環境，受質必須具備適當的形狀、大小及官能基，才能與其結合。因此酵素通常具有高度的受質專一性，甚至能辨識立體異構物。

金屬有機架構催化劑（MOF catalysts）雖可藉由孔洞大小、金屬中心及有機配體設計選擇性，但一般而言，其天然分子辨識能力與立體專一性仍不及酵素。

(C) 酵素活性穩定易受許多因素影響（如 pH、溫度）。

正確。

此題考驗對常見細菌的革蘭氏染色分類。

• 革蘭氏陽性菌 (Gram-positive bacteria) 的細胞壁主要由厚層的肽聚醣組成，染色後呈現紫藍色。
• 革蘭氏陰性菌 (Gram-negative bacteria) 的細胞壁肽聚醣層較薄，外層有外膜，染色後呈現紅色。

我們逐一判斷各選項：
(A) Escherichia coli (大腸桿菌)： 是典型的革蘭氏陰性菌。
(B) Clostridium acetobutylicum： 是產丁醇梭菌，屬於梭菌屬 (Clostridium)，該屬細菌多為革蘭氏陽性厭氧菌。
(C) Methanosarcina barkeri： 是一種產甲烷菌 (methanogen)，屬於古菌 (Archaea)。

核心觀念

本題考查微生物能量代謝的基本途徑，包括：

• 檸檬酸循環（TCA cycle）的名稱。
• ADP 與 ATP、AMP 之間的磷酸基轉移。
• 糖解作用是否需要氧氣。
• 葡萄糖糖解作用的產物。
• 發酵作用與呼吸作用的 ATP 產量比較。

判斷重點如下：

1. 糖解作用本身不需要氧氣。
2. 一分子葡萄糖經糖解作用產生兩分子丙酮酸。
3. 發酵作用主要依靠底物階層磷酸化產生少量 ATP；呼吸作用則可透過電子傳遞鏈及氧化磷酸化產生較多 ATP。

解題方法

逐項依據生化代謝的定義與能量產量判斷：

• 名稱或反應式是否符合基本生化反應。
• 代謝途徑是否直接需要氧氣。
• 比較發酵與呼吸作用的 ATP 生成機制與產量。

其中，糖解作用是葡萄糖分解的共同起始途徑，位於細胞質中，不以氧氣作為必要反應物。因此，不能將「糖解作用」與「有氧呼吸」混為一談。

選項分析

(A) 檸檬酸循環又稱 TCA 循環。

正確。

檸檬酸循環因其第一個穩定產物為檸檬酸（citrate），又稱檸檬酸循環；由於循環中涉及三羧酸化合物，也稱三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）。

在好氧微生物中，丙酮酸經氧化脫羧形成乙醯輔酶 A（acetyl-CoA），再進入 TCA 循環進行後續氧化。

(B) 2 分子 ADP 可轉換為 1 分子 ATP 及 AMP。

正確。

此反應由腺苷酸激酶（adenylate kinase）催化，反應式為：

$$2\text{ADP} \rightleftharpoons \text{ATP}+\text{AMP}$$

反應本質是將一個 ADP 的高能磷酸基轉移給另一個 ADP，因此可同時形成 ATP 與 AMP。這也是細胞在能量需求升高時調節腺嘌呤核苷酸比例的重要反應。

(C) 糖解作用需要氧氣。

錯誤。

糖解作用（glycolysis）在細胞質中進行，葡萄糖經一連串反應分解為兩分子丙酮酸，其本身不需要氧氣，因此屬於可在無氧條件下進行的代謝途徑。

總反應可概略表示為：

此題考驗對微生物新陳代謝群分類的理解，主要基於其能量來源、電子來源和碳源。

• 能量來源 (Energy source)：

  • 光能 (Phototroph)： 利用光能。
  • 化學能 (Chemotroph)： 利用化學物質的氧化能。
    • 無機化學能 (Chemolithotroph)： 利用無機物氧化能。
    • 有機化學能 (Chemoorganotroph)： 利用有機物氧化能。

• 電子來源 (Electron donor)：

  • 無機物 (Lithotroph)： 電子供體是無機物（如 H₂S, NH₃, Fe²⁺, H₂）。
  • 有機物 (Organotroph)： 電子供體是有機物。

• 碳源 (Carbon source)：

  • 無機碳 (Autotroph)： 碳源是無機碳，主要是 CO₂。
  • 有機碳 (Heterotroph)： 碳源是有機物。

我們逐一分析各選項：

此題考驗對病毒和細菌基本特徵及相關疾病與藥物的理解。

我們逐一分析各選項：

(A) 「病毒與細菌內皆以DNA為遺傳物質。」
* 細菌的遺傳物質是 DNA。
* 病毒的遺傳物質可以是 DNA 或 RNA，可以是單鏈或雙鏈。例如，新冠病毒 (SARS-CoV-2) 是 RNA 病毒。
* 因此，此敘述是錯誤的。

(B) 「病毒沒有細胞結構。」
* 病毒是非細胞結構的病原體，它們由遺傳物質（DNA 或 RNA）和蛋白質外殼 (capsid) 組成，有些還有包膜 (envelope)。它們不能獨立進行新陳代謝，必須寄生在宿主細胞內。
* 此敘述是正確的。

(C) 「大多的情況下病毒比細菌小。」
* 病毒的尺寸通常在 20-300 奈米 (nm) 之間，而細菌的尺寸通常在 0.5-5 微米 (µm) 之間（1 µm = 1000 nm）。因此，病毒普遍比細菌小得多。
* 此敘述是正確的。

此題考驗對污水處理廠主要單元操作及其微生物群落的理解。

我們逐一分析各選項：

(A) 「曝氣池主要為有氧菌。」
* 曝氣池 (Activated sludge tank) 是污水處理廠中的主要二級處理單元，其目的是通過好氧微生物（有氧菌）來分解污水中的有機污染物。通過曝氣提供充足的氧氣，促進有氧菌的生長和代謝。
* 此敘述是正確的。

(B) 「甲烷菌經常出現於厭氧消化槽。」
* 厭氧消化 (Anaerobic digestion) 是一個複雜的多階段過程，其中甲烷菌 (Methanogens) 是最終階段的關鍵微生物。它們將脂肪酸、醋酸、氫氣和二氧化碳等轉化為甲烷 (CH₄) 和二氧化碳。因此，甲烷菌是厭氧消化槽的主要成員。
* 此敘述是正確的。

(C) 「脫硝菌存在於去硝化池。」
* 去硝化 (Denitrification) 是指將硝酸鹽 (NO₃⁻) 還原為氮氣 (N₂) 的過程，這個過程由脫硝菌 (Denitrifying bacteria) 完成。