海洋渔业生物种质资源库设计和建设要点初探——以国家海洋渔业生物种质资源库为例

祝令民 解凌燕 王跃军 辛福言

(中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东青岛 266071)

打好种业翻身仗，种质资源是基础。农业种质资源是保障国家粮食安全与重要农产品供给的战略性资源，是种业原始创新的物质基础[1]。2019年，国务院在《关于加强农业种质资源保护与利用的意见》(国办发〔2019〕56号)中明确提出，要“加快国家作物种质长期库新库、国家海洋渔业生物种质资源库建设”。2021年，中央一号文件《中共中央 国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》发布，再次强调要“加强国家作物、畜禽和海洋渔业生物种质资源库建设”。习近平总书记在主持召开中央全面深化改革委员会第二十次会议时强调，“农业现代化，种子是基础”，要“实现种业科技自立自强、种源自主可控”,为种业科技创新、种业创新指明了方向。渔业种质作为农业种质资源的重要组成部分，是水产良种培育、渔业产业发展及渔业科技的基础；建设现代化的渔业生物种质资源库，是保护优良种质资源、实现渔业生物资源可持续利用的必要途径。

1 渔业生物种质资源保存现状

渔业种质资源存在于广阔的海洋、湖泊、江河等水域环境中，由于水域环境的复杂性和特殊性，其保存方式较之陆地动植物更具复杂性和不可控性[2]。种质资源的保护措施主要是就地保护和迁地保护。就地保护即采取措施在生物繁殖、生活的区域进行原地保护，主要方式是设置保护区。据统计，我国现有国家级水产种质资源保护区535个(截至2018年11月，农业农村部批准设立第十一批)[3-4]，各省根据各自的情况也设置有省级水产种质资源库保护区。异地保护指在生物原栖息地以外的人工创造的环境中，对生物的活体以及标本、组织、细胞和基因等进行保护保存，主要就是建设建立水产原良种场和种质资源库。水产原良种场主要以活体保存为主体，自1996年原农业部开始审定水产新品种，创建第一家国家级水产良种场起，截至2019年，我国已有国家级水产原良种场86家，省级水产原良种场800多家[5]。种质资源库可以从活体、标本、细胞、基因、微生物(有益菌和病原)和数据库等多个方面进行种质资源的保存、应用、开发和共享。从活体、标本、细胞、基因、微生物(有益菌和病原)中一个或多个维度，国内外均建设有相应的种质资源库，但综合活体、标本、细胞、基因、微生物(有益菌和病原)的种质资源库，国家海洋渔业生物种质资源库尚属首例。该资源库于2016年6月获国家发改委批复立项。2019年6月，《科技部 财政部关于发布国家科技资源共享服务平台优化调整名单的通知》[6]中明确设立国家海洋水产种质资源库和国家淡水水产种质资源库，正式形成两大水产种质资源共享服务平台。

2 渔业生物种质资源库的特点和功能

20世纪50年代以来，随着低温冷冻技术的发展，国内外对建立种质库有了更加先进的手段和方法。美国建立了美国西北部鲑鳟鱼类原种冷冻精子库，保存了采自500多尾大鳞大麻哈鱼和150尾虹鳟野生个体的精子，保存精液样品达10 000多份。在渔业经济动物基因资源发掘与种质保存方面，我国先后完成了半滑舌鳎、大黄鱼、石斑鱼、牙鲆、牡蛎、对虾等多个经济动物的全基因组测序。1975年，方宗熙率先创建了海带配子体克隆种质库，大型海藻种质资源库由此而来，2006年种质库改建，截至2016年12月，累计采集并鉴定了166个物种的9 279份大型海藻样品，保存有海带、裙带菜、卡帕藻、麒麟菜、石莼、江蓠、马尾藻、松藻等26个全球经济性物种的1 000余份活体种质，成为国际上种类最丰富、遗传资源量最大的海藻种质资源库[7]。早在1964年，由俄罗斯(苏联)科学院组建的海洋微生物保藏库共收集有海洋微生物样品5 000多株，英国国家微生物保藏中心收集有400多株，巴西海洋微藻保藏中心收集有300多株。依托自然资源部第三海洋研究所建设的海洋微生物菌种保藏管理中心(MCCC)成立于2004年，是我国第一个专业海洋微生物菌种保藏机构，设有冷冻真空干燥菌种保藏库、液氮冻结菌种保藏库和超低温冰箱冻结菌种保藏库，目前库藏海洋微生物3.2万株[8]。

渔业生物种质资源库作为农业种质资源保存体系的重要基础设施之一，主要保存经济类、珍稀类、濒危类的水产物种以及其他相关水生生物，保存形式包括分子、细胞、组织、活体及种群样本等。国家海洋渔业生物种质资源库于2020年9月建成投用，包括海洋渔业生物基因资源库、细胞资源库、微生物资源库、活体资源库、群体资源库以及种质资源数据处理中心和大型仪器设备共享中心等“五库二中心”。国家海洋渔业生物种质资源库是国内第一个综合性渔业生物种质资源库建筑实体，也是国家规划的海洋渔业生物种质资源库主库[9]，保存方式主要是活体保存、常温保存、低温保存、数据保存等，保存设施涉及活体养殖系统、标本密集架、低温冰箱(-40～-20 ℃、超低温冰箱(-80 ℃)、-80 ℃自动化样本存储系统、超低温液氮存储(-196 ℃)、数据处理存储服务器和档案室等，从功能上分区主要包括库区、实验区和辅助用房。

3 设计原则与要求

海洋渔业生物种质资源库的设计以“安全可靠、适度超前、绿色环保”为原则。

3.1 安全可靠

海洋渔业生物种质资源是自然界经过长期积累而成的，是国家的宝贵财富，作为种质资源库，保障种质资源的安全可靠是重中之重。作为具有重要保藏性的建筑，安全性上需要从抗震、防水、避水、防火、防晒等方面统筹考虑。抗震方面，应按照或高于国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223)确定建筑的抗震设防类别及其抗震设防标准。国家级海洋渔业生物种质资源库综合考虑了各种因素，设为标准设防类(丙类)，该库建设于青岛市市南区，抗震设防烈度为7度(设计基本地震加速度值为0.10 g)。防水方面，主要从地下室防水、屋面防水和实验室、库区防水等3个方面重点考虑，保障设备设施免受雨水、地下水和上层漏水侵袭。国家级海洋渔业生物种质资源库内部设置有海水养殖设施以及一些使用海水实验的房间，这些区域均设置有1.5 mm厚聚氨酯防水涂膜。避水主要是指数据处理中心、配电室等重要性房间在设计时要避免有水管道穿过(包括空调水)，避免上层房间设置用水点。防火方面主要按照《建筑设计防火规范》(GB 50016)进行设计，消防设备设施用电均采用双路供电，近几年消防标准要求越来越高，尤其注意要以最新的规范作为设计依据。

种质资源库的核心工作就是保证种质资源保存的可靠性。种质资源库内设置有专业的养殖设施、大量的低温设备及数据处理和计算机存储设备，稳定的循环水处理系统、冷冻保藏系统和数据存储系统是前提和保障，应将冷库、冰箱、样本存储系统、数据处理机房用电定义为一级负荷[10]，建立不停电系统。

3.2 适度超前

种质资源库是一座现代化的设施，它要实现的是后续很长时间的种质保存，在设计时要充分考虑保藏设备的富余容量和配套设施设备的先进性，要从未来的角度把控项目属性。另外，种质资源库作为重大项目从项目谋划到批复，从设计、施工再到投用要经历很长一段时间，这就要求资源库的设计既要兼顾设计时期的历史背景和经济条件，又要兼顾中远期目标情况，做到适度超前。国家海洋渔业生物种质资源库项目由唐启升院士最早提出，从概念形成到落成竣工历时20余年，没有前瞻性的思维和高起点的谋划是无法完成这一标志性设施平台建设的。国家海洋渔业生物种质资源库基于基因、细胞、活体、群体、微生物等方面的研究进展，合理超前提出项目建设中长期目标(10年)——种质资源库保藏量34万份。

3.3 绿色环保

国家海洋渔业生物种质资源库在设计时首先考虑活体库采用循环水养殖方式，以节约水资源；为避免供气泵的噪声可能对周边居民或办公环境的影响，将供气泵设置在地下一层靠近出口的位置，既解决了噪声问题，同时也保证了供气的洁净度；楼顶设置太阳能系统为活体库养殖用水辅助供热。在此建议，活体库独立建设、独立管理，因其特殊的水环境与其他保存环境有着明显的不同，且有可能对其他保存环境造成不利影响。在库的每层设置废物暂存间，提供废物分类存放容器，加强危废的处置管理。在楼顶设置废气处理装置，保证实验室废气排放符合环保要求。设计“污废”分流系统，从根源上解决实验废水与普通污水混排的风险，实验废水经处理后达标排放，避免环保风险。

4 主要技术指标和要求

4.1 活体库

活体库的主要功能是对海水鱼类、虾类、贝类、棘皮类等进行活体养殖。活体库设置于地上一层，分为4个子库，总养殖水体160 m3，活荷载标准值取值20 kN/m2，每个子库设置8～16 m3缓冲调温水池，地面预留排水接口，供养殖系统接入。养殖海水外购并暂存于地下二层的海水储存池，海水池一用一备(储水量80 m3/口)。室外设有海水灌水接口，灌水接口大小为DN150，设置一用一备恒压供水泵和海水循环处理设备(处理量25 m3/h)，供水主管为DN100。海水排水主管为DN150，排水汇入海水废水暂存池内，经废水处理装置处理，达标后外运排放。

4.2 低温冷库

冷库设计需考虑荷载、管道布设、室外机位置等因素，国家海洋渔业生物种质资源库内设计有-20 ℃和4 ℃冷库。-20 ℃冷库设置于一楼，用于存储待处理标本和需要冷冻处理的样品，室外机一用一备，就近设置于室外地面，冷凝水管道内设置电伴热，冷凝水并入空调机房冷凝水地漏。4 ℃冷库共有3个，1个位于4楼基因库，2个位于5楼微生物库，室外机均设置于楼顶，冷媒管敷设于土建冷媒管井内，冷凝水并入空调机房冷凝水地漏。冷库结合内部存放物品的情况，楼板承重取值活荷载标准值8 kN/m2，同时设计中应考虑室外机位置的结构荷载取值。-20 ℃冷库库板采用高压发泡B1级别的聚氨酯库板，厚度为150 mm；中间保温材料为高压发泡聚氨酯，内面为厚0.6 mm的304不锈钢板；聚氨酯的密度为40 kg/m3，导热系数为0.024 W/(m·K)，压缩强度为160 kPa。4 ℃冷库库板的厚度为100 mm，其他同-20 ℃冷库。

4.3 设备保藏库

设备保藏库是指通过设备进行活样品保藏的库(室)，主要包含冰箱(-40 ℃、-80 ℃)、液氮罐(-196 ℃)、培养箱、密集架等，设计时应考虑此类设备的荷载取值和设备发热量。国家海洋渔业生物种质资源库冰箱保藏库和液氮罐保藏库的荷载取值为8 kN/m2。保藏设备用电插座采用双路供电；设备集中放置区，尤其是放置冰箱、培养箱等发热量大的设备区，应在计算空调冷负荷时，将设备散热量作为重点并做统计计算供设计考虑。如自然资源部第三海洋研究所建设的海洋微生物菌种保藏管理中心就是将4 ℃冷库改造为超低温冰箱、冰柜的设备保藏区，有效降低了设备发热，确保了设备的正常运转。为保证设备用电安全，设备集中放置区应尽量不采用水冷式空调。档案密集架区荷载取值12 kN/m2，标本密集架荷载取值20 kN/m2。库内电梯、运输通道、房间门高度和宽度的设计应重点以大型设备或物料外形尺寸作为参数，如冷库库板、冷库主机、大型液氮罐等，在设计方案时应咨询厂家或参考已有设备的情况进行特殊设计；定制设备应参考建筑内部通道和门的尺寸进行定制设计。尤其在图纸审核时，要注意建筑图纸一般标注的是土建门洞尺寸，而非建筑安装门后的净尺寸，因此要注意审查校对。

4.4 洁净实验室

国家微生物资源平台编制了《微生物菌种资源收集整理、保藏技术规程汇编》，深圳华大基因研究院作为起草单位编制了地方性标准《微生物资源库建设与管理规范》(SZDB/Z 243—2017)。微生物库要完成微生物的保藏，首先要完成微生物的培养和保存，洁净实验室是完成上述工作的基础。微生物库细胞培养室和无菌室按照生物安全二级实验室(BSL-2)[11]设计，空气洁净度等级按照7级(万级)[12]设计。实验室均采用直膨式空调机组，恒温恒湿控制，压力差控制，其平面布置见图1。实验室入口处设置缓冲间和风淋室，缓冲间采用+15 Pa，风淋室为预留成品风淋室安装空间，洁净区走廊+25 Pa，细胞培养室和无菌室均为+35 Pa。洁净室走廊尽端设置安全门，从内部可安全推开，外部上锁。各功能区按照工艺流程设置传递窗，传递窗为电气互锁，窗内设置紫外消毒。

5 设计和建设遇到的问题

5.1 空间布局的讨论

国家海洋渔业生物种质资源库内部空间布局设计时面临两种选择。一种是从资源库总体功能和工艺流程进行布局设计，即以接样——检测——入库保藏——鉴定——出库等一系列工艺流程为主线设计。这种设计的优点是可以整合相同功能房间，更加有利于人员的集中管理，工作任务的流线清晰；缺点是样品的前置分类与工作业务交叉，不同层级的样品交于一处进行处理和分配，对于整合现有样品存在一定困难。另一种是功能区块设计，即活体库、群体库、细胞库、基因库、微生物库以及仪器设备共享中心和数据处理中心等“五库二中心”的总体布局。结合黄海水产研究所内部机构设置，为便于整合专业力量，形成资源库各子库的专业优势，最终在空间布局上选择了后者，并在后者总体布局的基础上，在每个功能区块内部按照工艺流线设计房间布局。这种布局的优点是“五库二中心”既独立工作又向总库负责，可以充分调动子库的工作积极性，能够快速形成库存量。

5.2 中央空调的选型设计

国家海洋渔业生物种质资源库的空调设计总体上是磁悬浮螺杆式空调机组+VRV空调。对于实验室和辅助用房统一由磁悬浮螺杆式空调机组高效供冷，机组选型单机制冷量879 kW，制冷能效比(EER=制冷量/制冷消耗功率)6.08。该机组的优点是能效比高，节能效果好，占用空间小，缺点是试运行阶段库内房间非满负荷运转时，开启机组的耗能大，短期内经济性差。对于有特殊要求需要单独制冷的房间，如上述提到的放置冰箱、培养箱等发热量大的设备区统筹房间内的设备布局规划，给出各库需求指标(温度、湿度)，由VRV空调供冷，保证设备区环境指标。上述两种供冷方式结合布置，总体上以较高的能效比实现了供冷经济高效，也解决了局部区域冷量需求大的问题。总体上，建议在常规实验室采用集中供冷供热模式，而特殊实验室和保藏库采用区块化或单独设置空调调控温度，必要时调控湿度。

5.3 液氮罐的设置

在对项目进行可行性论证过程中，对资源库内液氮保存设施的设计进行过反复讨论和论证，一是建立液氮塔，集中储存液氮，采用管路给房间内的样品保藏液氮罐输送液氮[13]。此方式需要有大量集中设置的液氮罐，并有稳定的液氮需求，且液氮的消耗量、挥发量相对较大。二是采用一储存一补给的气相液氮储存系统。此方式能够分散使用液氮罐，避免大系统供应使用效率不高造成的资源浪费。通过采购费用和运行费用的对比分析，本项目最终选择了后者。

6 结语

综上所述，海洋渔业生物种质资源库不是一座普通的科研公共建筑，而是涉及多学科、多领域，包含多种工艺流程的科研综合体。在此提出几点建议，以供渔业生物种质资源库建设时参考。一是要明确建设目标，明确资源库建设的中长期目标，从保存多少份样本考虑建设多大规模。二是渔业种质资源库的保存对象不同于植物(作物)种质资源库[14-15]，要充分考虑多层级的保存对象以及复杂的保存环境，为库内各功能分区提供设计条件。三是要从工艺流程出发，明确整个资源库的工艺流程，这也是国家海洋渔业生物种质资源库项目立项时多次论证的内容，为了更好地形成种质资源库的功能架构。四是要从抗震、防水、防火、防雷等多方面综合考虑，必要时提高保障级别，电能供应要有多路保障，以确保设备的正常运转。