适用于高校及科研院所的实验动物设施建设经验探讨

林惠然,刘朝霞,冯小彪,刘敏捷,黄晓杰

(中国科学院深圳先进技术研究院支撑平台处实验动物管理办,深圳 518055)

实验动物设施作为理工类高校教学与科研必不可少的一个配套平台，是高校建设任务中不可或缺的一环。实验动物设施属于特殊功能实验室，由于对温度、湿度、压差、噪声、洁净度和换气次数有严格要求，其设计及施工必须严格遵循相关国家标准要求，目前主要参考有GB/T 14925—2010《实验动物环境及设施标准》及GB 50447—2008《实验动物设施建筑技术规范》［1-2］。

中国科学院深圳先进技术研究院（为中科院下属科研院所，以下简称先进院）实验动物设施面积3 928 m2，是广东省实验动物使用单位中许可面积较大的单位之一。目前运行管理团队超过40人。先进院动物设施于2012年首次启用，至今已逾10年，经过了5次改造扩建及6次许可申请，涉及的动物种类包括大鼠、小鼠、兔、豚鼠及非人灵长类实验动物，设施类别包括隔离环境、屏障环境及普通环境。在此期间，先进院积累了丰富的实验动物设施建设及管理经验，可为高校及科研院所实验动物设施建设提供借鉴。

本文就先进院近10年的建设经历及国内外新近发展的施工工艺进行探讨，总结适用于高校及科研院所实验动物设施建设的实践经验。

1 设计规划

1.1 层高及房间规划

动物设施分为技术夹层和实验室工作层。动物设施的设备管道较多，需要较大的技术夹层空间，一般来说，层高达到2.2 m的技术夹层基本能够满足大部分的设备管道安装、检修和维护需求［2］。在有条件的单位，技术夹层可设置成带楼梯的单独一层、并设置检修马道，方便维护人员及设备进出、参观展示等（可参考清华大学实验动物设施）。工作层层高的选择则需要充分考虑能耗与设备摆放和维护空间。层高过低，设备安装后可能阻碍设备上方的高效过滤器及灯管的更换或顶部清洁，同时会使处于设施内的工作人员觉得压抑；而随着层高增加，空调通风系统的能耗需求量也同步增加，另外也不利于过滤器的更换及屏障设施内屋顶的清洁。以生物安全柜的安装为例，一般AⅡ生物安全柜净高2.3 m，安装要求顶部保留30 cm空间，即工作层层高至少需达到2.6 m。一般使用设施可以2.6 m作为工作层层高标准。

因科研院所的动物实验涉及较多专业仪器，实际操作时可提前调研需要放置入设施的设备清单及设备高度并预留一定的检修空间，采用对应位置顶部局部加高的方式以尽可能减少能耗［3］。

在房间规划方面，尽可能避免面积过大的房间。大面积房间多用于生产设施，其优点是单位面积可容纳更多笼位、提高空间利用率。但较大的房间其弊端明显，一旦房间发生病原微生物污染状况，交叉感染及清空净化造成的代价更高［4］。因此，使用单位可采用小而精的方式，根据学科方向或课题组需求量进行房间划分，更有利于管理及微生物污染风险控制。

1.2 局部加固及下沉设计

实验楼楼层的承重量一般为200～400 kg/m2。大型设备如高压灭菌器、步入式洗笼机、空调机组等应尽量安放在结构梁上或跨度较小的楼板上，通常还需要进行局部加固。先进院动物设施为既有建筑改建，局部加固会增加地面的高度，导致物品在转移过程中需要上下坡或借用一定高度的装卸车，给工作带来不便，同时增加了职业安全风险（图1A）。

若新建动物设施，在土建工程之前宜预先做好规划设计，确定好灭菌器、洗笼机等大型设备的安装位点及安装高度要求，提前布置好局部加固及楼板下沉设计，避免设备安装后出现坡或坎，将为后续物品转运提供较大便利（图1B）。

图1 楼板下沉设计对洗笼机安装使用的影响Figure 1 Influence of floor sinking design on the installation and use of the cage washer

1.3 节能设计

实验动物设施属于高耗能设施，地处深圳的先进院建筑面积约1 500 m2的小动物设施每月耗电量达到150 000 kWh。节能是实验动物设施设计中需要考虑的要点，除上述提到的通过控制层高减少能耗外，设计时还需在如下方面加以考虑：（1）动物设施基本采用人工照明和机械通风，在满足需求的前提下，尽量减少窗户的设置及避免自然通风，减少能源损耗。（2）动物设施的能耗绝大部分来自净化空调机组的运行。对华南地区湿度较大的区域，采用溶液调湿空调节能效果最优，但需考虑其初始投资较大（如深圳湾实验室实验动物设施）。（3）优化布局，缩短空调机房与设施的距离以减少中途能量的损耗。（4）空调系统设立分区，可实现分期分批投入使用；实验区域相较饲养区域其换气次数可适当降低，既方便管理，也能有效节能［5］。（5）采用独立通气笼盒系统（individual ventilated cages，IVC）或层流架（定向流饲养架）的，可独立设置饲养架及房间的排风系统，采用饲养架全排、房间部分回风的设计以减少能耗［6］。目前，部分新建设施配备电控变风量排风阀，配合自控系统实现夜间降频可降低能耗，但对排风系统的性能有较高要求。

除硬件设计外，还能通过一些管理手段实现节能。如在不同季节根据室外温、湿度适当调节设施温、湿度参数，以保证在满足国家标准要求的前提下，尽可能减少与外界环境的差值。但是需注意，如不同季节温、湿度波动较大，可能会对实验条件的一致性、实验结果的重复性产生影响，操作时需权衡利弊，找到平衡点［7］。

1.4 自动化水平

先进院实验动物设施分为多个区域，每个区域规模均不大，自动化程度较低，高度依赖人工。在深圳地区，因生活消费水平较高，一线员工招聘困难。为提高运行效率，减少人力成本，新建大型动物设施时可规划多个环节的自动化程序，包括笼器具清洗、垫料装载、废弃物倾倒及转移、自动饮水系统等［8］。要求提前预设隧道式洗笼机摆放场地、机械臂操作空间、干净垫料存储和传输通道、脏垫料传输及暂存空间、自动饮水管道系统等。

2 设备选型

2.1 暖通系统

动物设施环境指标的控制高度依赖于空调系统的运转。空调系统的划分应经济合理、有利于设施的消毒、自动控制和节能运行，同时避免交叉污染［2］。空调机组在安装过程中，应做好减震、降噪措施，避免对动物繁育产生影响。此外，应设置备用送排风机，在风机故障时，确保系统能够维持设施稳定运行。

目前已建成的动物设施多采用全新风系统，能耗较高，运行成本大。但当大鼠、小鼠采用独立通气笼具饲养时，动物产生的废气直接通过排风管排到室外，对房间空气质量影响较小，房间送风采用部分回风，可达到节能效果。

近几年，较多设施开始采用集成式的溶液空调，具有高效节能的优点，并且能够更稳定地控制温、湿度，但需要考虑其初始投资较大［9］。

2.2 饲养笼具

普通级动物多选用开放笼盒。但大鼠、小鼠可选择的笼具类型较多，包括开放式笼盒、层流架、微屏障饲养系统、IVC、中央排气通风笼盒系统（exhaust ventilation central cages，EVC）和隔离包等，需根据饲养目的、管理要求进行选择［10-11］。饲养无菌鼠、重度免疫缺陷鼠及进行隔离检疫时多选用IVC或隔离包；用于示教用的大鼠、小鼠对微生物控制要求较低，可采用开放笼盒饲养；大规模生产可采用微屏障饲养系统；同一房间内饲养多个课题组或多品系实验用大鼠、小鼠，可采用IVC或EVC。

根据是否自带风机及废气的排放方式不同，每一种笼器具对房间的送排风量计算都有影响。房间的尺寸规划也需要根据笼具的长宽及摆放方式确定。笼具的选型直接影响设施排风量的计算、房间尺寸的划分，因此建议在设计之初就确定好笼具选型。

2.3 水处理

清洁级及以上级别动物的饮用水要求无菌，无菌水的处理工艺有多种，价格差异也很大。最简单的采用过滤及UV杀菌，另外还有微电解、超滤、高压蒸汽等处理方法［12］。为延长处理后无菌水的有效期，还会通过酸化或氯化以控制水体中绿脓杆菌等环境菌的繁殖。

传统给水方式为饮水瓶灌装，优点是价格低廉、操作及维护简便。但因动物舔舐后会有空气进入水瓶，因此需要较为频繁的更换水瓶以控制微生物；水瓶的老化、变形可能引起漏水导致动物死亡；水瓶清洗、灭菌、更换需要较大人力成本。因此，水瓶喂养适合较小规模的设施使用，前期投入较低。国外某水纯化技术公司设计的一款一次性无菌水袋饮水系统，可保证饮水期间无内外空气交换，使用周期内始终保持无菌，每个水袋可提供2周饮水，更安全、便捷。

如为饲养量较大的新建设施，可规划使用自动饮水系统，无菌水通过定制的管道输送到每一个笼盒内，可以大大减少对人力的依赖及动物缺水风险［13］。

2.4 废气处理

目前环境影响评价对废气处理的要求亦日趋严格，为避免影响周围环境的空气质量，空调系统排风末端需设置废气处理装置。活性炭过滤装置维护较方便，但需定期更换活性炭。而除臭喷淋塔需要使用浓酸对氨气等进行中和，前期设计时需考虑硫酸来源及废液处理问题。

目前先进院动物实验室采用除臭喷淋塔进行废气处理，由第三方公司进行日常维护，如定期加酸、换水。但硫酸只能中和氨气，对于动物粪便产生的硫化氢等硫化物、粪臭素等吲哚类物质作用较微。光触媒废气处理工艺是一种新近引入到实验动物行业废气处理的工艺技术，其对多种臭气均有较强的分解能力，同时其安装、维护简便，几乎无耗材损耗。因此，新规划动物设施可考虑采用光触媒除臭装置与扰流喷淋装置相结合，避免废气对周边环境的影响［14］。

3 讨论

旧设施改建具有较多局限性，直接影响到日常操作的便利性及运行效率。如新建实验动物设施，在建设初期应提前做好充分的需求调研、规划与设备选型，有利于后续设施使用过程中维持环境指标稳定、保障动物质量与工作人员的职业健康安全、方便操作，达到节省人力、节约能耗的效果。

先进院实验动物设施近10年的建设及改造经历了重重困难，也积累了大量宝贵经验。高校及科研院所动物设施在规划及建设过程中，可以加以借鉴。另一方面，相比科研院所，高校实验动物设施存在较高的实验动物教学需求，需要根据教学内容做好示教区的规划设计；同时预留可用于弹性改造的区域，减少后期因学科方向发展对设施进行较大规模的改动。

实验动物设施的建设与初期设备采购需投入较多经费，因此，实验动物设施建设全流程需要机构领导的大力支持与相关同事的高度配合，不可忽视前期选址、设计及建设工作，否则可能会影响后续申领相关许可证及设施运行管理的便利性和实用性。

[作者贡献Author Contribution]

林惠然主笔撰写，并组织讨论和修改；刘朝霞、冯小彪、刘敏捷、黄晓杰参与讨论修改及论文定稿。

[利益声明Declaration of Interest]

所有作者均声明本文不存在利益冲突。