排气通风笼具微环境的动态检测

王贵平, 薛智谋, 周正宇, 吴 强, 华 晨, 王 婧

(1. 苏州大学实验动物中心, 苏州215123; 2. 江苏苏净集团有限公司, 苏州 215122)

排气通风笼具微环境的动态检测

王贵平1, 薛智谋1, 周正宇1, 吴 强2, 华 晨2, 王 婧1

(1. 苏州大学实验动物中心, 苏州215123; 2. 江苏苏净集团有限公司, 苏州 215122)

目的 动态检测屏障环境中用于小鼠的新型排气通风笼具(EVC)的微环境指标。方法 测定两种饲养小鼠的EVC笼盒内通风风速和笼盒体积，计算笼盒换气次数。使用刨花垫料时换笼周期设置为7 d，使用玉米芯垫料时换笼周期设置为14 d，分别在每种换笼周期内每日连续检测笼盒内的噪声、压差、温度、相对湿度和氨浓度指标。结果 两种EVC笼盒内噪声分别为54.2± 3.4 db和55.6±4.1 db，笼盒与屏障环境压差分别为-23.1±9.2 Pa和-27.5±11.6 Pa。从换笼周期第1日起，饲养小鼠的EVC笼盒内的温度差、相对湿度和氨浓度都呈现逐步升高的趋势; 使用刨花垫料的两种EVC笼盒其第6日的氨浓度分别达到1.28±0.08 mg/m3和1.33±0.15 mg/m3，笼盒内温度分别为23.5±0.27 ℃和22.8±0.15 ℃，湿度分别为67.8%±2.2%和70.2%±1.1%;而使用玉米芯垫料的两种EVC笼盒内第12日达到氨浓度分别为1.95±0.46 mg/m3和2.17± 0.33 mg/m3，笼盒内温度分别为23.8±0.4 ℃和24.1±0.2 ℃，湿度分别为70.3%±1.8%和69.6%±1.8%。结论 使用EVC笼盒饲养小鼠时，刨花垫料采取每6日换笼及玉米芯垫料采取每12日换笼的方案，可以使笼盒内的微环境指标: 噪声、压差、温度、湿度和氨浓度，均符合国标GB14925-2010要求。提示EVC与玉米芯垫料相结合，有助于维持笼盒内微环境稳定，可用于实验动物的生产和相关研究中。

温度; 相对湿度; 氨浓度; 微环境

实验动物科学已经成为医学生命科学等众多领域的研究基础和条件。啮齿动物是被广泛使用的实验动物，其质量和环境的良好控制对实验结果的准确可靠性具有重要影响。根据实验动物质量的国家标准要求[1]，将动物饲养在密闭笼盒内，并输送经过高效过滤的空气以保证动物免受微生物的污染，可为动物提供有利的生存环境保障[2]。目前常用的两种笼具为：排气通风笼具系统(exhaust ventilated closed-system cage rack，简称EVC)及独立通风笼具(individually ventilated cages, IVC), 两者的结构既有相似又有区别。EVC利用空调净化系统排气通道的负压使净化过的室内空气通过笼盒过滤器进入笼盒, 再由笼架排气腔和排气通道排出，笼盒内空气呈现单层流通，有效地利用了笼内横截面的通流能力, 缩短了通道的长度(图1), 避免了紊流[3], 理论上能够避免笼盒间及笼盒与环境间的交叉污染。同样的通气量时，笼内残留的废气少得多[4]。

实验动物质量国家标准中包含的笼盒内环境参数有: 温湿度、压差、空气流动速度、噪音、氨气(NH3)浓度等，都是大家的关注点和控制点。不同的设施设备、外界环境、以及饲养密度和换笼次数，都可能造成上述这些环境参数出现波动[5]。了解笼盒内外环境的参数，可以有效控制日常监测和质量管理的关键因素[6]。本文通过检测屏障环境中排气通风笼具(EVC)的动态微环境指标，为其应用于相关研究和实验动物生产提供依据。

图 1 EVC笼盒内气流方向示意图

1 材料与方法

1.1 主要仪器设备

国产和进口两种小鼠用EVC分别由苏州猴皇动物实验设备科技有限公司和美国ACS公司提供，型号分别为HH-A-4和M.I.C.E.System, Optimice。笼盒呈梯形，每台设备均有100个笼位(10层)。国产笼盒底面积为58 700 mm2，高135 mm，容积为0.007 9 m3; 进口笼盒底面积为48 400 mm2, 高155 mm, 容积为0.007 5 m3。

TEST0625温湿度计，吉大小天鹅氨气测试仪，微型风速仪，噪声仪，精密电子称。

1.2 环境条件与控制

实验全程均于苏州大学实验动物中心SPF屏障环境内[SCXK(苏)2012-0005]进行。房间内温度范围设定为22±2 ℃，相对湿度设定为40%～60%，全新风高效过滤，每个房间均有两套笼具。

1.3 实验动物及其饲养

6周龄SPF级封闭群ICR小鼠60只，由上海斯莱克实验动物有限责任公司提供[SCXK(沪)2012-0002]。实验开始当日称重，雄性体质量26.1± 3.3 g，雌性体质量22.4±1.8 g，雌雄分开，随机分配饲养于SPF屏障环境中的两种EVC笼盒内，均饲养在第五层。每笼5只，共12笼。每个笼盒重复检测3周。采用灭菌颗粒饲料，自由采食;高压灭菌水加盐酸酸化至pH为2.5～3.0后供给自由饮水;刨花垫料经高压灭菌后使用，更换周期为7 d;玉米芯垫料更换周期为14 d。

1.4 指标测定

分别对测试笼盒打孔，使得各仪器的探头可以伸入笼盒内，使用软橡胶塞进行密封，保证测试过程及日常饲养过程，笼盒除回风口和排风口外，其余部位仍密封。

温度计、湿度计可放入笼盒内3 min，待读数较稳定后记录。室内温湿度直接通过读取房间内温湿度计读数获得，每日均在上午十点左右读取。

噪声仪的探头可以从孔伸入笼盒，取前、中、后三个位置进行读数。压差仪的软管可以从软橡胶塞中心打孔穿过，然后伸入笼盒内，利用软橡胶塞的弹性，保持孔周围的密闭。

EVC的换气参数不可调节[3]。使用风速仪测定笼盒内进风口风量, 每一层随机选取两个进风口, 得到整台笼具的平均进风量。根据公式R=3 600 sv/V,可以通过S进风口横截面积、平均风速v和笼盒总容积V，计算换气次数R。

氨浓度测定: 将大气采样仪的软管通过软橡胶塞中心伸入笼盒内，收集5 L笼盒内气体，采用纳氏比色法，利用分光光度计进行读数，绘制标准曲线(图2)，得到氨浓度值。

1.5 数据统计方法

2 结果

2.1 EVC笼盒进风口风速及换气次数

经测量, 在饲养动物的情况下, 换笼周期内国产和进口两种EVC笼盒的进风口风速分别为0.054 ±0.013 m/s和0.049±0.01 m/s (P＞0.05)。换气次数分别为24.06次/h和23.85次/h(P＞0.05)。

图 2 氨浓度标准曲线

2.2 EVC笼盒内噪声

经测量，换笼周期内，EVC房间内的噪声为52.2±0.8 db，国产和进口两种EVC笼盒内的噪声分别为54.2±3.4 db和55.6±4.1 db(P＞0.05)。均符合国标GB14925-2010要求。

2.3 EVC笼盒与屏障环境呈负压差

经测量，换笼周期内，EVC笼盒与屏障环境呈负压差, 分别为-23.1±9.2 Pa和-27.5±11.6 Pa (P＞0.05)，均符合国标GB14925-2010要求。

2.4 EVC笼盒内温度

实验期间EVC房间内的温度为20.6±0.48 ℃。换笼后第一日开始笼盒内温度均高于室内温度，并逐渐升高。国产和进口两种笼盒内温度无显著性差异(P＞0.05)。使用刨花垫料的EVC笼盒第6日笼盒内温度为23.5±0.3℃和22.8±0.2℃(表1); 使用玉米芯垫料的EVC笼盒第12日笼盒内温度为23.8± 0.4℃和24.1±0.2℃(表2)。

2.5 EVC笼盒内相对湿度

实验期间EVC房间内的相对湿度为44.4%± 5.9%。笼盒内湿度在换笼周期的第一日开始均高于室内湿度, 并逐步升高。国产和进口两种笼盒内相对湿度无显著性差异(P＞0.05)。使用刨花垫料的EVC笼盒第6日笼盒内湿度为67.8%±2.2%和70.2% ±1.1%(表1); 而使用玉米芯垫料的EVC笼盒第12日笼盒内湿度为70.3%±1.8%和69.6%±1.8%(表2)。

2.6 EVC笼盒内氨浓度

总体而言，实验期间房间内和笼盒内的氨浓度都呈现逐渐上升的趋势。国产和进口两种笼盒内氨浓度无显著性差异(P＞0.05)。使用刨花垫料的EVC笼盒第6日的氨浓度达到1.28±0.08 mg/m3和1.33±0.15 mg/m3(表1); 使用玉米芯垫料的EVC笼盒内第12日氨浓度达到1.95±0.46 mg/m3和2.17 ±0.33 mg/m3(表2)，均低于国标要求的不高于14 mg/m3。

表 1 使用刨花垫料EVC笼盒内温湿度及氨浓度

表 2 使用玉米芯垫料EVC笼盒内温湿度及氨浓度

3 讨论

除遗传因素外，环境控制是影响实验动物质量的关键因素，诸如温湿度、气流风速、压差、氨气、笼器具、饲垫料、饮水，以及动物的饲养密度等因素[7]，影响着实验动物的诸如激素分泌、睡眠、体质量变化、形态、性成熟、繁育、哺乳、妊娠等方面，从而影响实验的结果[8]。

本实验中，当屏障环境内条件因素如噪声、饲垫料、饮水、动物饲养密度及管理等一致时，两种EVC笼具内的微环境指标 换气次数、温度、相对湿度、压差、氨浓度没有显著性差异。两种笼具均采用旋转式笼架，每个笼具可放置100个笼盒，每个笼盒内不需要放置不锈钢网盖，不减少小鼠活动空间的前提下可降低笼盒的高度，因此EVC可以有效提升动物房内的空间利用率。与传统的IVC笼具相比，新型排气通风笼具EVC与屏障系统的排风管道联通，依赖屏障环境的通风条件，换气次数不可调节[3]，正压屏障环境依靠排风管道的抽吸作用，负压屏障环境安装定置式风机，将气体抽吸出去，保证笼盒内的负压状态，使笼盒之间相对独立，减少笼盒间的交叉污染[9]。但EVC需要在屏障环境内使用是其局限性。

屏障内环境与笼盒内环境存在相互影响。笼盒内的气体难免会溢出至房间内，本实验期间EVC房间内氨浓度最高只有0.02 mg/m3，明显低于相关实验研究在IVC房间检测到较高的氨浓度[10,11]。房间内氨浓度的差异可能与EVC笼盒内的单向负压式通风有关[9]。提示使用IVC笼具时，如果条件允许可应将屏障环境内的通排风与IVC笼具的通排风分两路进行，虽然前期投资增加，但可以达到有效降低室内氨浓度，以及节能的目的。

在本次实验中，EVC笼盒内的氨浓度在整个换笼周期均远低于国标规定的14 mg/m3, 提示使用EVC笼具可延长换笼周期，降低氨气对动物的负面影响。刨花垫料采取每6日换笼，玉米芯垫料采取每12日换笼的方案，都可以保证笼盒内的微环境指标: 噪声、压差、温度、湿度和氨浓度符合国标GB14925-2010要求。其中使用玉米芯垫料时，换笼后第6日笼盒内相对湿度和氨浓度显著低于刨花垫料的笼盒，说明使用玉米芯垫料也可以延长换笼周期。实验证明，较之于刨花垫料，玉米芯垫料的吸水性高，粉尘率低, 可以使氨浓度得到更有效的控制[12,13]。因此, EVC笼具和玉米芯结合使用，可节省实验和饲养过程中的人力物力成本。

根据实验动物环境与设施国家标准GBl4925-2010规定, 实验小鼠笼盒内温度应控制在20～26 ℃,相对湿度应控制在40%～70%。有研究表明，笼盒所处环境湿度是影响笼盒微环境的关键指标之一，高湿度条件下氨浓度升高明显[10]。在本实验中，使用刨花垫料的EVC笼盒内相对湿度较高，相对应的氨浓度也明显升高，符合这一规律。笼盒内的湿度主要受到环境温湿度、笼盒内动物数量和体质量、气流速度、蒸发面积、垫料吸水率和干燥速度等影响[13]。且有研究报到，玉米芯的干燥速度慢于刨花垫料，但刨花垫料的吸水率又明显低于玉米芯[12], 本实验中, 使用刨花垫料时的第7日和使用玉米芯垫料时的第13、14日超出70%。究其原因，作者认为可能与小鼠排泄和体表散发水分累积数日、超过了垫料的吸附能力和干燥速率有关。因此考虑到动物福利，建议刨花垫料每6日换笼，玉米芯垫料每12日换笼。在实际饲养过程中，笼盒内微环境不仅受到其所处屏障环境条件、笼盒通风形式及气流速度、温湿度调控范围的影响，还受到动物饲养密度、动物体质量、垫料种类数量等因素的影响[14]。除上述几个方面外, 今后的研究还可通过观察动物的行为和精神状态、测量不同周龄的体质量、观测繁殖数量、周期及存活率等[15],来探讨EVC笼具对动物生存繁育方面的影响。

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Dynamic Assessment on Microenvironment of a New Type Exhaust Ventilation Closed-System Cage

WANG Gui-ping1, XUE Zhi-mou1, ZHOU Zheng-yu1, WU Qiang2, HUA Chen2, WANG Jing1
(1. Laboratory Animal Center of Soochow University, Suzhou 215123, China (2. Jiangsu Sujing Group, Suzhou 215122, China)

ObjectiveTo dynamically assess the micro-environmental changes of the new type exhaust ventilated closed-system cage (EVC)for mice.MethodsBased on the measurement of ventilation velocity and volume in EVC cages with mice, the air exchange rate were calculated. The parameters of noise, temperature, differential air pressure, relative humidity, micro-environmental ammonia concentration and macro-environmental ammonia concentration were detected continuously for a 7-daycycle with wooden shaving bedding and for a 14-day-cycle with corncob bedding.ResultsThe noise in two type EVC were 54.2±3.4 db and 55.6±4.1 db. The differential pressure between EVC and room were -23.1±9.2 Pa and -27.5±11.6 Pa respectively. Since the first day of caging changecycle, the micro-environmental temperature, humidity and ammonia concentrations has raised gradually in cages. On the sixth day, ammonia concentration in two type of cages reached 1.28±0.08 mg/m3and 1.33±0.15 mg/m3respectively with wood shaving beddings, the temperature were 23.5±0.27 ℃ and 22.8±0.15 ℃ respectively, the humidity were 67.8%±2.2% and 70.2%±1.1% respectively. On the twelfth day, ammonia concentration in cages reached 1.95±0.46 mg/m3and 2.17±0.33 mg/m3 with corncob beddings, the temperature were 23.8±0.4 ℃ and 24.1±0.2 ℃, and the humidity were 70.3%±1.8% and 69.6%±1.8% respectively.Conclusions Based on the conditions of current experiment, during 6-day and 12-day caging change-cycle respectively, the micro-environmental parameters, such as: noise, differential air pressure, temperature, humidity and ammonia concentrations met the GB14925-2010 requirements. EVC system with corncob bedding are highly recommended to maintain a stable micro-environment, that could be used in animal research and animal production.

Temperature; Relative humidity; Ammonia concentration; Microenvironment

Q95-33

A

1674-5817(2017)02-0150-05

10.3969/j.issn.1674-5817.2017.02.013

2016-10-31

苏州市应用基础研究计划(SYN201404), SZGD2013169, BM2013312.

王贵平(1987-), 女, 硕士, 实验师; 研究方向: 实验动物、保健医学。E-mail: yelandiewu@163.com

王 婧(1982-), 女, 博士, 实验师; 研究方向: 实验动物模型、免疫逃逸。E-mail: ajingmeier@163.com