適用于高校及科研院所的實驗動物設施建設經驗探討

林惠然,劉朝霞,馮小彪,劉敏捷,黃曉杰

(中國科學院深圳先進技術研究院支撐平臺處實驗動物管理辦,深圳 518055)

實驗動物設施作為理工類高校教學與科研必不可少的一個配套平臺，是高校建設任務中不可或缺的一環(huán)。實驗動物設施屬于特殊功能實驗室，由于對溫度、濕度、壓差、噪聲、潔凈度和換氣次數(shù)有嚴格要求，其設計及施工必須嚴格遵循相關國家標準要求，目前主要參考有GB/T 14925—2010《實驗動物環(huán)境及設施標準》及GB 50447—2008《實驗動物設施建筑技術規(guī)范》［1-2］。

中國科學院深圳先進技術研究院（為中科院下屬科研院所，以下簡稱先進院）實驗動物設施面積3 928 m2，是廣東省實驗動物使用單位中許可面積較大的單位之一。目前運行管理團隊超過40人。先進院動物設施于2012年首次啟用，至今已逾10年，經過了5次改造擴建及6次許可申請，涉及的動物種類包括大鼠、小鼠、兔、豚鼠及非人靈長類實驗動物，設施類別包括隔離環(huán)境、屏障環(huán)境及普通環(huán)境。在此期間，先進院積累了豐富的實驗動物設施建設及管理經驗，可為高校及科研院所實驗動物設施建設提供借鑒。

本文就先進院近10年的建設經歷及國內外新近發(fā)展的施工工藝進行探討，總結適用于高校及科研院所實驗動物設施建設的實踐經驗。

1 設計規(guī)劃

1.1 層高及房間規(guī)劃

動物設施分為技術夾層和實驗室工作層。動物設施的設備管道較多，需要較大的技術夾層空間，一般來說，層高達到2.2 m的技術夾層基本能夠滿足大部分的設備管道安裝、檢修和維護需求［2］。在有條件的單位，技術夾層可設置成帶樓梯的單獨一層、并設置檢修馬道，方便維護人員及設備進出、參觀展示等（可參考清華大學實驗動物設施）。工作層層高的選擇則需要充分考慮能耗與設備擺放和維護空間。層高過低，設備安裝后可能阻礙設備上方的高效過濾器及燈管的更換或頂部清潔，同時會使處于設施內的工作人員覺得壓抑；而隨著層高增加，空調通風系統(tǒng)的能耗需求量也同步增加，另外也不利于過濾器的更換及屏障設施內屋頂?shù)那鍧崱Ｒ陨锇踩竦陌惭b為例，一般AⅡ生物安全柜凈高2.3 m，安裝要求頂部保留30 cm空間，即工作層層高至少需達到2.6 m。一般使用設施可以2.6 m作為工作層層高標準。

因科研院所的動物實驗涉及較多專業(yè)儀器，實際操作時可提前調研需要放置入設施的設備清單及設備高度并預留一定的檢修空間，采用對應位置頂部局部加高的方式以盡可能減少能耗［3］。

在房間規(guī)劃方面，盡可能避免面積過大的房間。大面積房間多用于生產設施，其優(yōu)點是單位面積可容納更多籠位、提高空間利用率。但較大的房間其弊端明顯，一旦房間發(fā)生病原微生物污染狀況，交叉感染及清空凈化造成的代價更高［4］。因此，使用單位可采用小而精的方式，根據(jù)學科方向或課題組需求量進行房間劃分，更有利于管理及微生物污染風險控制。

1.2 局部加固及下沉設計

實驗樓樓層的承重量一般為200～400 kg/m2。大型設備如高壓滅菌器、步入式洗籠機、空調機組等應盡量安放在結構梁上或跨度較小的樓板上，通常還需要進行局部加固。先進院動物設施為既有建筑改建，局部加固會增加地面的高度，導致物品在轉移過程中需要上下坡或借用一定高度的裝卸車，給工作帶來不便，同時增加了職業(yè)安全風險（圖1A）。

若新建動物設施，在土建工程之前宜預先做好規(guī)劃設計，確定好滅菌器、洗籠機等大型設備的安裝位點及安裝高度要求，提前布置好局部加固及樓板下沉設計，避免設備安裝后出現(xiàn)坡或坎，將為后續(xù)物品轉運提供較大便利（圖1B）。

圖1 樓板下沉設計對洗籠機安裝使用的影響Figure 1 Influence of floor sinking design on the installation and use of the cage washer

1.3 節(jié)能設計

實驗動物設施屬于高耗能設施，地處深圳的先進院建筑面積約1 500 m2的小動物設施每月耗電量達到150 000 kWh。節(jié)能是實驗動物設施設計中需要考慮的要點，除上述提到的通過控制層高減少能耗外，設計時還需在如下方面加以考慮：（1）動物設施基本采用人工照明和機械通風，在滿足需求的前提下，盡量減少窗戶的設置及避免自然通風，減少能源損耗。（2）動物設施的能耗絕大部分來自凈化空調機組的運行。對華南地區(qū)濕度較大的區(qū)域，采用溶液調濕空調節(jié)能效果最優(yōu)，但需考慮其初始投資較大（如深圳灣實驗室實驗動物設施）。（3）優(yōu)化布局，縮短空調機房與設施的距離以減少中途能量的損耗。（4）空調系統(tǒng)設立分區(qū)，可實現(xiàn)分期分批投入使用；實驗區(qū)域相較飼養(yǎng)區(qū)域其換氣次數(shù)可適當降低，既方便管理，也能有效節(jié)能［5］。（5）采用獨立通氣籠盒系統(tǒng)（individual ventilated cages，IVC）或層流架（定向流飼養(yǎng)架）的，可獨立設置飼養(yǎng)架及房間的排風系統(tǒng)，采用飼養(yǎng)架全排、房間部分回風的設計以減少能耗［6］。目前，部分新建設施配備電控變風量排風閥，配合自控系統(tǒng)實現(xiàn)夜間降頻可降低能耗，但對排風系統(tǒng)的性能有較高要求。

除硬件設計外，還能通過一些管理手段實現(xiàn)節(jié)能。如在不同季節(jié)根據(jù)室外溫、濕度適當調節(jié)設施溫、濕度參數(shù)，以保證在滿足國家標準要求的前提下，盡可能減少與外界環(huán)境的差值。但是需注意，如不同季節(jié)溫、濕度波動較大，可能會對實驗條件的一致性、實驗結果的重復性產生影響，操作時需權衡利弊，找到平衡點［7］。

1.4 自動化水平

先進院實驗動物設施分為多個區(qū)域，每個區(qū)域規(guī)模均不大，自動化程度較低，高度依賴人工。在深圳地區(qū)，因生活消費水平較高，一線員工招聘困難。為提高運行效率，減少人力成本，新建大型動物設施時可規(guī)劃多個環(huán)節(jié)的自動化程序，包括籠器具清洗、墊料裝載、廢棄物傾倒及轉移、自動飲水系統(tǒng)等［8］。要求提前預設隧道式洗籠機擺放場地、機械臂操作空間、干凈墊料存儲和傳輸通道、臟墊料傳輸及暫存空間、自動飲水管道系統(tǒng)等。

2 設備選型

2.1 暖通系統(tǒng)

動物設施環(huán)境指標的控制高度依賴于空調系統(tǒng)的運轉。空調系統(tǒng)的劃分應經濟合理、有利于設施的消毒、自動控制和節(jié)能運行，同時避免交叉污染［2］。空調機組在安裝過程中，應做好減震、降噪措施，避免對動物繁育產生影響。此外，應設置備用送排風機，在風機故障時，確保系統(tǒng)能夠維持設施穩(wěn)定運行。

目前已建成的動物設施多采用全新風系統(tǒng)，能耗較高，運行成本大。但當大鼠、小鼠采用獨立通氣籠具飼養(yǎng)時，動物產生的廢氣直接通過排風管排到室外，對房間空氣質量影響較小，房間送風采用部分回風，可達到節(jié)能效果。

近幾年，較多設施開始采用集成式的溶液空調，具有高效節(jié)能的優(yōu)點，并且能夠更穩(wěn)定地控制溫、濕度，但需要考慮其初始投資較大［9］。

2.2 飼養(yǎng)籠具

普通級動物多選用開放籠盒。但大鼠、小鼠可選擇的籠具類型較多，包括開放式籠盒、層流架、微屏障飼養(yǎng)系統(tǒng)、IVC、中央排氣通風籠盒系統(tǒng)（exhaust ventilation central cages，EVC）和隔離包等，需根據(jù)飼養(yǎng)目的、管理要求進行選擇［10-11］。飼養(yǎng)無菌鼠、重度免疫缺陷鼠及進行隔離檢疫時多選用IVC或隔離包；用于示教用的大鼠、小鼠對微生物控制要求較低，可采用開放籠盒飼養(yǎng)；大規(guī)模生產可采用微屏障飼養(yǎng)系統(tǒng)；同一房間內飼養(yǎng)多個課題組或多品系實驗用大鼠、小鼠，可采用IVC或EVC。

根據(jù)是否自帶風機及廢氣的排放方式不同，每一種籠器具對房間的送排風量計算都有影響。房間的尺寸規(guī)劃也需要根據(jù)籠具的長寬及擺放方式確定。籠具的選型直接影響設施排風量的計算、房間尺寸的劃分，因此建議在設計之初就確定好籠具選型。

2.3 水處理

清潔級及以上級別動物的飲用水要求無菌，無菌水的處理工藝有多種，價格差異也很大。最簡單的采用過濾及UV殺菌，另外還有微電解、超濾、高壓蒸汽等處理方法［12］。為延長處理后無菌水的有效期，還會通過酸化或氯化以控制水體中綠膿桿菌等環(huán)境菌的繁殖。

傳統(tǒng)給水方式為飲水瓶灌裝，優(yōu)點是價格低廉、操作及維護簡便。但因動物舔舐后會有空氣進入水瓶，因此需要較為頻繁的更換水瓶以控制微生物；水瓶的老化、變形可能引起漏水導致動物死亡；水瓶清洗、滅菌、更換需要較大人力成本。因此，水瓶喂養(yǎng)適合較小規(guī)模的設施使用，前期投入較低。國外某水純化技術公司設計的一款一次性無菌水袋飲水系統(tǒng)，可保證飲水期間無內外空氣交換，使用周期內始終保持無菌，每個水袋可提供2周飲水，更安全、便捷。

如為飼養(yǎng)量較大的新建設施，可規(guī)劃使用自動飲水系統(tǒng)，無菌水通過定制的管道輸送到每一個籠盒內，可以大大減少對人力的依賴及動物缺水風險［13］。

2.4 廢氣處理

目前環(huán)境影響評價對廢氣處理的要求亦日趨嚴格，為避免影響周圍環(huán)境的空氣質量，空調系統(tǒng)排風末端需設置廢氣處理裝置。活性炭過濾裝置維護較方便，但需定期更換活性炭。而除臭噴淋塔需要使用濃酸對氨氣等進行中和，前期設計時需考慮硫酸來源及廢液處理問題。

目前先進院動物實驗室采用除臭噴淋塔進行廢氣處理，由第三方公司進行日常維護，如定期加酸、換水。但硫酸只能中和氨氣，對于動物糞便產生的硫化氫等硫化物、糞臭素等吲哚類物質作用較微。光觸媒廢氣處理工藝是一種新近引入到實驗動物行業(yè)廢氣處理的工藝技術，其對多種臭氣均有較強的分解能力，同時其安裝、維護簡便，幾乎無耗材損耗。因此，新規(guī)劃動物設施可考慮采用光觸媒除臭裝置與擾流噴淋裝置相結合，避免廢氣對周邊環(huán)境的影響［14］。

3 討論

舊設施改建具有較多局限性，直接影響到日常操作的便利性及運行效率。如新建實驗動物設施，在建設初期應提前做好充分的需求調研、規(guī)劃與設備選型，有利于后續(xù)設施使用過程中維持環(huán)境指標穩(wěn)定、保障動物質量與工作人員的職業(yè)健康安全、方便操作，達到節(jié)省人力、節(jié)約能耗的效果。

先進院實驗動物設施近10年的建設及改造經歷了重重困難，也積累了大量寶貴經驗。高校及科研院所動物設施在規(guī)劃及建設過程中，可以加以借鑒。另一方面，相比科研院所，高校實驗動物設施存在較高的實驗動物教學需求，需要根據(jù)教學內容做好示教區(qū)的規(guī)劃設計；同時預留可用于彈性改造的區(qū)域，減少后期因學科方向發(fā)展對設施進行較大規(guī)模的改動。

實驗動物設施的建設與初期設備采購需投入較多經費，因此，實驗動物設施建設全流程需要機構領導的大力支持與相關同事的高度配合，不可忽視前期選址、設計及建設工作，否則可能會影響后續(xù)申領相關許可證及設施運行管理的便利性和實用性。

[作者貢獻Author Contribution]

林惠然主筆撰寫，并組織討論和修改；劉朝霞、馮小彪、劉敏捷、黃曉杰參與討論修改及論文定稿。

[利益聲明Declaration of Interest]

所有作者均聲明本文不存在利益沖突。