實驗動物環境設施指標集成在線監測技術探討

張煒 譚瑩 師廷川 符躍明 師冰

摘?要：實驗動物設施一般處于連續運行狀態，各種環境指標隨著環境因素變化而變化，需要借助實驗動物設施環境及工藝設備指標在線監測技術，實時反映環境指標、工藝設備運行指標并反饋調整，將對實驗動物設施的正常運行及節能、動物福利、動物質量、動物實驗結果準確性等方面都有重要意義。本文通過闡釋在線監測溫濕度、日溫差、壓差、氣流速度等指標的目的、在線監測和調控的方法，并結合能源管理案例，探索實現指標集成在線監測可行性。

關鍵詞：實驗動物；環境設施；指標；集成；在線監測

在線監測技術在環境科學、制藥工程等領域都得到良好應用，但作為實驗動物設施環境指標及工藝設備指標的監測手段，尚處于分散管理的初始階段，尚未見集成在線監測的應用案例。隨著實驗動物設施的規?；?、科研水平的提高及計算機技術的進步，實驗動物設施及工藝設備在線管理的需求越來越迫切。

2015年統計我國動物設施，取得動物實驗使用許可證的機構有1448個，生產使用證的有422個。實驗動物作為醫藥研發技術的重要載體，保證實驗動物質量和實驗動物福利和倫理越來越得到重視。評價實驗動物設施指標的合理性涉及實驗動物環境工程與衛生學、實驗動物環境監測與評估等學科，應以實驗動物為主體，相關指標都應以滿足實驗動物福利、保障實驗動物質量為核心，因此，新建或改建的實驗動物設施竣工啟用前，須向所屬的實驗動物管理部門申請進行設施環境指標檢測，檢測合格方能投入使用［1］。

實驗動物設施室內環境的檢測項目包括溫濕度、氣流速度、換氣次數、靜壓差、空氣潔凈度、沉降菌、噪聲、照度、氨氣濃度。實驗動物工藝設備的在線監測則包括高壓滅菌器、洗籠機、純水機等大型工藝設備的運行狀態監測。物聯網軟件系統可以在線統計動物籠位庫存、籠具的排列、動物入庫位置、動物數量、建籠時間等信息。但由于技術手段的局限，要實現以上所有指標的在線動態監測仍有難度。

1 環境指標在線監測可行性分析

以下將從動物實驗室涉及的各項環境指標分別分析實現在線監測的可行性。

1.1 溫濕度、日溫差

不同種類、不同品系的動物生活習性，適宜溫度、濕度范圍是不同的。環境溫度的改變可引起實驗動物不同程度的生理系統和機體內環境系統的改變，從而引起某些生理狀態（如呼吸、循環、體液、代謝、免疫系統）的改變，并影響受試化合物給藥后的吸收、代謝、排泄等［2］。環境溫度是實驗動物體熱平衡和調節的決定因素之一，環境溫度變化影響實驗動物的產熱和散熱，如果環境溫度超過最佳范圍，無論是過熱還是過冷，都會迫使動物改變其新陳代謝節律［3］。溫度異常對實驗動物胎兒會造成非致死性狀態傷害，引起發育缺陷，溫度異常引起缺陷的類型主要取決于胎兒發育階段和受熱的劑量。溫度變化還可使動物的姿勢、攝食量、飲水量發生改變。

高濕環境易引起動物代謝紊亂，抵抗力下降，發病率增加，有利于病原微生物和寄生蟲生長繁殖，動物被感染的概率增加［4］。濕度升高也會使室內的細菌和氨氣含量增加，小鼠仙臺病毒在高濕環境比低濕環境更易傳播。濕度越高，實驗兔類的腳皮炎癥發病率越高［5］。濕度低容易引起動物呼吸道疾病。從動物習性來看，兔、犬、猴、貓喜歡相對干燥的環境。多數動物不耐低濕，如大鼠長期低于相對濕度40%容易患上壞尾病。尤其還要考慮環境濕度對揮發性化合物和通過皮膚、呼吸道途徑染毒的化合物實驗結果的影響［2］。

溫濕度的在線監測調控需根據不同動物來設置波動范圍，詳見表1。獨立送風隔離籠具（IVC）系統的溫濕度探頭宜安裝在籠具的排風口，開放式籠具的飼養間溫濕度探頭宜安裝在房間的排風口，可以更加合理地反映房間的環境指標，在線監測數據才具有代表性、真實性，同時可對日溫差進行統計分析。溫濕度探頭與中央控制系統聯動，達到及時反饋并調控的效果。該技術成熟，已經普遍應用。

1.2 壓差

壓差是保證動物實驗室空氣流線的重要的工藝指標，通過控制壓力，促使室內空氣向正確方向流動。國內外相關規范要求壓力梯度區間應保持在20pa，既可防止污染空氣經過天花板、墻壁、窗等縫隙侵入室內，又可以防止動物產生的有害氣體擴散。國家標準GB14925-2010《實驗動物環境及設施》理念為“實驗動物區壓差最大”，國際標準ISO14644理念為“滅菌后區壓差最大”。

房間靜壓差傳感器宜設置在兩個房間相通的門框邊，可以較為合理地反映房間之間的壓差情況，屏障環境運行壓差控制在10～15Pa或根據運行狀態調整進行在線監測。普通環境壓差設置可根據國際實驗動物評估和認證協會（AAALAC）認證要求進行運行狀態調整在線監測。在初、中、高效過濾器前后設置壓差測量裝置，可以在線監測和記錄阻力變化及報警（阻力達到初阻力的2倍左右），可以實現自動控制，該技術成熟、應用簡單，已成為實驗動物設施的標準配置之一。

1.3 氣流速度

風速（即氣流速度）是決定動物換氣次數、溫度與散熱量以及水分蒸發有關的主要因素。監控風速，是為了避免強風直接吹動物，因為風速增大，動物采食量也會增加，影響其代謝等系列生理系統。而籠架處及籠具內、鼠盒內的氣流流動更容易混亂，導致傳熱傳濕及污染物的排出都會受到影響，部分籠具內、鼠盒內環境參數值可能超過標準［10］。安珂慧等［11］通過流體動力學（CFD）模擬不同換氣次數下的動物實驗室也發現動物籠具前端出現大于規定氣流速度的位置。

對于開放式籠具的飼養間，氣流速度的測定需要采用風速計在動物飼育區和實驗工作區分別設置測點，測點設置于地面高度1.0m處，可根據飼養間的空間大小來布置代表性點位來監測籠具周邊的氣流速度。雖然風速傳感器的測量精度會受到很多因素的影響，但仍可用于氣流速度的分析和控制，使動物處在合理的風速區域。

對于IVC系統，可以采用風速傳感器來實時測量風速后反饋調節密閉閥來達到精確控制氣流量的目的，在IVC系統中該技術相對成熟。監測籠具周邊動態氣流，根據室內風速標準范圍值，實時上傳到監測系統軟件統計分析籠具周邊有效的氣體交換率、氣流分布的均勻性，以判斷籠具周邊有沒有氣流死角。

對于開放式籠具的飼養間，氣流速度的在線監測從技術上是具有一定的可行性的，但對于IVC系統，該技術相對成熟。

1.4 換氣次數

換氣次數是以滿足動物和人員以及污染物稀釋的需要，從而保證穩定環境的指標，合適的換氣次數和室內污染物分布、節能之間存在一定的耦合關系［12］，且合適的氣流組織也是降低換氣次數的關鍵。換氣次數是通過測定送風口風速，參照風口面積和房間容積計算得出的。換氣次數的測定歸根結底是風口風速的測定。風口風速的在線監測是可以實現的，經過簡單的邏輯換算便可實現換氣次數的在線監測。

對于開放式籠具的飼養間，可以根據飼養間動物的飼養量和飼養間產生的有害氣體濃度來調整換氣次數的增加和減少。換氣次數的范圍值為屏障環境換氣次數15～60次/h，非工作狀態下不低于10次/h，一般狀態下20次/h，普通環境8～15次/h。新風量與換氣次數有關，詳見表2。

IVC系統可以根據籠盒更換頻次換氣次數，從35次/小時逐日增加最大到80次/小時。按變風量運行調控在線監測，重點還要監測鼠籠內風量均衡的問題。

用風速儀傳感器測量并換算為換氣次數，可實現在線監測，對于開放式、平板式籠具的飼養間具有可行性，在IVC系統中該技術相對成熟。

1.5 空氣潔凈度

動物實驗室空氣中浮游微?？偡Q為空氣氣溶膠，主要塵源且對實驗動物環境影響最大的是粉塵顆粒、動物被毛、浮皮屑、飼料渣、排泄物等?？諝庵械募毦?、病毒、立克次氏體等因其黏附在粉塵顆粒上，故在理論上做粉塵對待，一般附著在0.5微米以上的粒子上并飄浮在空氣中（7級0.5微米=35200粒/m3），且能夠透過高效過濾器（HEPA）迎風面做浸潤運動，并非是懸浮狀態。實驗動物設施的潔凈核心就是生物凈化，需控制微生物的產生繁殖和傳播，同時還要結合清洗、清潔、消毒、滅菌等行之有效的技術措施來保證潔凈區污染控制。

塵埃粒子數測定是空氣潔凈級別的重要指標之一。目前塵埃粒子數的在線監測已實現并應用于GMP潔凈室中。在線粒子空態、靜態、動態監測系統可以對所監測環境空氣中顆粒的粒徑和數量分布進行自動連續的監測和記錄。當監測環境中的塵埃粒子數超過設定值時，該系統將會進行聲光報警，通知相關人員進行處理，可確保所監測的關鍵環境中的塵埃粒子數處于正常狀態。需要注意的是屏障環境中動態運行下的潔凈度要求不容易實現。通過監測塵埃粒子數也可以為空氣沉降菌/浮游菌的采樣提供判斷依據。

空氣潔凈度靜態在線監測技術相對成熟，屏障環境動態在線監測需要結合實際來開發研究。

1.6 空氣沉降菌/浮游菌

動物實驗室空氣中含有的微生物主要以空氣浮游生物狀態存在，一般附著在0.5微米以上的粒子上做浸潤運動?？諝獬两稻Ｒ帣z測方法為：培養皿打開后放置于實驗動物設施內地面上30min，加蓋，放于37℃恒溫箱內培養48h后，計算菌落數（個/皿）［1］?？梢?，空氣沉降菌的檢測需要時間較長，想實現在線監測需要克服很多技術難題，以目前的工程技術水平，無法實現在線監測。然而對于生物凈化有要求的動物屏障設施也應當更多地采用主動采樣的靈敏度高的浮游采樣器來監測空氣的攜菌粒子，同時也保證該攜菌粒子的存活率以便增值培養?？茖W家發現主動采樣方法的浮游采樣器采集1微米的粒子的收集效率比9cm的被動采集的沉降方法的效率高2250倍。浮游菌采樣由于培養基比較容易干燥，現代的采樣流速設計為低流速采樣，可以盡量延長浮游采樣的覆蓋時間，無須頻繁更換平皿，在線日常監測的浮游采樣器的內置軟件可設置對所有的采樣過程進行監控，并生成不可更改的監測記錄，方便追蹤，而沉降菌的采樣更依賴于紙質記錄管理，流轉中的管理風險較大。沉降菌采樣方法可以作為一種靜態/動態過程中浮游菌采樣的補充方法，兩者一起使用，采集出風面的菌落形成單位（cfu）值。使用時需要避免放置位置不當或者操作錯誤而造成的污染風險。沉降菌/浮游菌的監測方法，應當基于風險評估來選擇和考慮采用哪種方法。因為空氣中生物粒子除包括細菌、病毒、真菌外，可能還有支原體、寄生蟲、蟲卵等。

浮游菌的在線監測技術是成熟的，但沉降菌的在線監測技術無法實現。在屏障環境中，建議采取浮游菌的在線監測和沉降菌紙質記錄管理結合使用來監測微生物。

1.7 噪聲

犬、小鼠、兔、豚鼠實驗動物都可以聽到超聲波，大鼠可聽到70kHz，非人靈長類與人相似20～20kHz，聽力范圍和人類相比較寬，不同品種的非人靈長類聽力頻率上線有所不同。噪聲超標除造成動物正常應激反應外，主要是對動物交感神經影響最大，引起交感神經緊張，心跳數、呼吸數、血壓異常升高。比如，噪聲會使小鼠發生的細胞免疫機能改變，免疫功能降低，導致小鼠消化吸收障礙、脫毛等，大鼠發生高血壓、心臟肥大、腎上腺皮質激素上升、消化器官分泌機能障礙，肝糖原和抗壞血酸水平升高。噪聲超標對大鼠、豚鼠、兔、犬等動物也可誘發聽原性痙攣。

噪聲傳感器可實現對噪聲的動態在線監測。信號采集點為房間內離地面1.2m高度的位置，且需要考慮墻壁反射的影響，也可結合室內設施，如籠架等設置采集點。噪聲的在線監測在技術上可行。

1.8 照度

光的照度和波長范圍的設置應保障動物獲得清晰的視覺和維持生理節律，并滿足人員工作和觀察動物的需要，有些動物對光比較敏感，需采取避光措施，可采用有色玻璃?？梢姽獾牟ㄩL范圍為0.39～0.77微米，其中紅光為0.622～0.77微米、橙光為0.592～0.622微米、黃光為0.577～0.597微米、綠光為0.492～0.577微米。光照度刺激對動物生物節律起著重大影響，光照強度和波長的不同對實驗動物神經內分泌調節產生不同的影響，不適當的光譜品質、光照強度、光照度周期和光譜的波長等都有可能對動物的健康造成危害［3］。臨床前藥物研究毒性與副作用試驗過程要特別注意，嚙齒動物容易適應微暗環境而不能識別顏色，作為夜行性動物的小鼠，在紅光或黑暗中其自然活動較多，在黃光中為中等程度，藍、綠和白晝光中最差［13］。另外，小鼠在粉紅色或黑色紫外光中體重增加較快，紅色照明對于嚙齒類動物意味著黑暗，所以當需要在夜間光照時常采用紅光照明，光照強度降低到10lx，這樣不影響小鼠的睡眠量和睡眠結構；在20lx照度時小鼠的性周期最穩定，周期為4天。犬缺乏紅、綠色覺感知，犬類只能分辨黑白，猴子的色覺十分敏感，不同品種的猴有不同的辨色能力。實驗過程同時還要確保光照的均勻性，照度長時間過強會引起動物的視網膜功能障礙。

照度的在線監測目前已在智能建筑燈控系統得到應用，應用于實驗動物設施也是可行的，不僅可以實現光強度的監測，還可以對光波長進行在線的檢測。對于屏障環境可安裝照明控制器營造白天黑夜交替，普通環境特別是犬類、非人靈長類動物飼養間可安裝全日光光譜營造自然光的活動場地。照度在線監測技術在實驗動物設施中用于技術上是可行的。

1.9 氣態污染物

實驗動物設施動物產生的主要氣態污染源有22種八大類物質，主要成分為氨、硫化氫、臭氣。對氨濃度敏感的動物包括大小鼠、豚鼠。氨氣會誘發某些呼吸道疾病、中耳炎，在達到25～50ppm濃度時會使動物感染肺炎支原體等，比如小鼠感染肺炎支原體表現為打圈、翻跟頭。對硫化氫敏感的動物包括犬、貓、兔。硫化氫會對呼吸道及黏膜有刺激作用，從而引發植物神經功能紊亂，嚴重的可造成呼吸中樞麻痹，在200～500ppm濃度時會造成窒息死亡。

氣態污染物濃度在線檢測在養殖業已被廣泛應用，應用于實驗動物設施是成熟的。

2 設施設備運行在線監控與管理

實驗動物設施的設備，如空調機組、排風機的運行狀態直接影響到設施內的環境狀態，而雙扉高壓滅菌器、洗籠機、動物飲用水系統、制水系統等設備的運行狀態也直接關系到實驗動物設施能否正常運行。因此，實驗動物設施的設備運行狀態及能源管理在線監測至關重要，并且目前的工程技術水平已可以實現。例如，屏障實驗動物設施在換氣次數15次/h的條件下，根據工作經驗其耗冷指標一般為800～1200W/m2，耗電指標0.9～1.0kW/m2。

實驗動物飲水系統是動物飼養中關鍵設備設施，水的質量是保障實驗動物飼養環境安全的重要環節，實驗動物飲用水的污染物對實驗動物的健康、福利和數據的可靠性會造成嚴重的威脅，比如，飲用水中的有機物可以影響動物的繁殖，水中殘留的農藥、活性劑等化合物可能干擾內分泌系統，會嚴重影響動物神經系統發育，導致免疫系統降低并引發腫瘤。由此控制飲用水成為保證水質量的首要任務［14］，由于實驗動物飲水主要以國標參數為準，在人飲用水標準范圍內，實驗動物飲用水未做比人飲用水標準更高的要求，因此，對實驗動物健康與實驗結果影響應主要以符合人飲用水標準和無菌水狀態要求即可，同時還需要考慮水處理制備在線監測指標，純化水可通過在線和離線方法進行水質質量的監測，目前成熟的在線監測指標有電導率［2020年版中國藥典標準為≤4.3μS/cm（20℃）；≤5.1μS/cm（25℃）］、pH值（4.5～7.0）、總有機碳（TOC）（2020年版中國藥典標準為≤0.5mg/L）、水溫，并結合超限聲光報警。

實驗動物設施節能的問題關鍵是找出能耗巨大的原因，國際上節能技術通過冷梁技術—設備節能—需求控制節能—綜合節能四個階段，可以更準確解決實驗動物屏障設施設備能耗巨大的問題，同時應用運行節能在線監測是一個將能耗統計、能耗監測、能源審計、能效公示四位一體的節能管理體系，其包括通風空調系統中的各用電設備綜合能耗分析、照明系統綜合能耗分析、環境系統指標分析、工藝設備能耗分析、能耗統計等功能。

以北京某基因生物技術有限公司為例，在以往工作中，遭遇到因為暖通系統故障導致環境變化從而致使飼養區域大面積出現實驗大鼠死亡，以及實驗區域人員混亂、能耗高等問題。通過在動物實驗園區建立統一的三維物聯網管控平臺，實現了環境自動控制、人員軌跡追蹤管理，小型事故率大大降低，中大型事故率為0的穩定實驗環境。同時，平臺幫助實驗室運維人員快速定位故障設備，及時更換維修，相較于過去的巡檢，有效降低了運維人員的工作，節省了約20%的人員成本；通過對暖通、照明等用電設備的有效管控，電力成本也在逐步降低，并通過云技術手段實現云端管控，大大提高管理效率，實現動物設施的智慧化運行。

實驗室三維可視化管理平臺將實驗動物設施內不同功能的智能化系統通過統一的信息平臺實現集成，打破數據孤島，搭建實驗室數字基座，形成具有統一管理界面、信息匯集、資源共享、跨系統聯動、應急響應、優化管理等綜合功能的集成系統，對實驗室內相關設備進行全面有效的監控和管理，豐富實驗室的綜合使用功能，提高實驗室管理的效率，確保實驗室內所有相關設備處于高效、節能、最佳運行狀態。該技術成熟，有多個應用案例。

3 系統集成

以上指標通過在線監測獲取后，在電腦后臺或移動端，完成在線更新、數據采集、異常報警、實時共享和數據自動分析計算［15］，及時管理調控相關指標，確保各指標在適宜范圍內，實現工藝設備運行狀態及能源狀態等指標集成在線管理，實現數據的實時采集、統計和報警等。

4 討論

（1）溫濕度、房間靜壓差、氣態污染物濃度（主要是氨氣和硫化氫）已經實現自動控制及實時監測，成為實驗動物設施的標準配置之一；空氣沉降菌濃度的在線監測以目前的技術水平尚無法實現；氣流速度、換氣次數、空氣潔凈度、噪聲、照度、浮游菌等指標的在線監測在技術層面是可行的，但應用時仍需要綜合考慮開發及工程造價。

（2）動物實驗室可根據工藝流程確定不同運行狀態來控制節能或結合不同的使用時間、空間來調整功能需求節能；也可通過細化工藝流程來控制耗能需求并整合系統控制冷熱源與通風等設備設施，綜合利用能量。這些需求可以利用在線監測來滿足，例如實時監測房間潔凈度，在保證潔凈度的前提下對不同的區域適當降低換氣次數和經濟合理的送風指標，達到節約運行費用；根據項目負責人對實驗室利用率進行前期的分區設計、使用中的分區管理。但實驗動物設施及工藝設備是龐大的高建設投入和高運行成本的復雜系統，為響應碳達峰、碳綜合，節能已成為實驗動物設施不可回避且必須面對的重要課題。

（3）實驗動物設施污染控制在理論上應該是全過程的，但目前國標的檢測指標設定大多數是空態的，全過程污染控制的目的與檢測目的有較大出入，所獲得的檢測結果不利于評價動態運行的環境。實驗動物設施環境在線監測可以很好地實時控制各項環境指標，科研人員在實驗報告或論文中可以反映實驗環境靜態/動態狀態的數據，以便日后在對實驗結果追查、進行比較研究或者推論于人體時，成為珍貴的情報來源。

（4）實驗動物幾乎終身被限制在一個極其有限的環境范圍內生活，這種環境是實驗動物賴以生存的條件［1］。動物實驗在實驗前和實驗中控制各種環境因素十分重要，甚至可以說沒有環境控制就沒有可靠的動物實驗。實驗動物設施環境在線監測的意義在于保障實驗設施的正常運行，為實驗動物提供健康生長發育的環境，保證實驗動物健康和質量標準化，進而保障實驗研究獲得正確的結果，為實驗動物工作者提供舒適、適宜的條件并保障其長期從事該工作的身體健康。同時動物設施在線監測可以為試驗者、管理者、運維者提供一個直觀、立體、全面的溯源數據的智能化信息管理平臺。

結語

綜上所述，實現實驗動物設施環境指標及設備運行指標集成在線監測，對實驗動物設施的正常運行及節能、動物福利、動物質量、動物實驗結果準確性等方面都有重要意義，實驗動物設施指標在線監測需要多項技術集成，如物聯網技術、智能化技術，目前大部分技術已經成熟應用，具備可行性。

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基金項目：云南省創新引導與科技型企業培育計劃（202004AR040002）

作者簡介：張煒（1977—?），男，工程師，研究方向：動物實驗室、生物安全實驗室環境設施設計、管理。

*通訊作者：師冰（1980—?），女，漢族，山東人，碩士，高級工程師，研究方向：新藥研發。