实验动物环境设施指标集成在线监测技术探讨

张炜 谭莹 师廷川 符跃明 师冰

摘 要：实验动物设施一般处于连续运行状态，各种环境指标随着环境因素变化而变化，需要借助实验动物设施环境及工艺设备指标在线监测技术，实时反映环境指标、工艺设备运行指标并反馈调整，将对实验动物设施的正常运行及节能、动物福利、动物质量、动物实验结果准确性等方面都有重要意义。本文通过阐释在线监测温湿度、日温差、压差、气流速度等指标的目的、在线监测和调控的方法，并结合能源管理案例，探索实现指标集成在线监测可行性。

关键词：实验动物；环境设施；指标；集成；在线监测

在线监测技术在环境科学、制药工程等领域都得到良好应用，但作为实验动物设施环境指标及工艺设备指标的监测手段，尚处于分散管理的初始阶段，尚未见集成在线监测的应用案例。随着实验动物设施的规模化、科研水平的提高及计算机技术的进步，实验动物设施及工艺设备在线管理的需求越来越迫切。

2015年统计我国动物设施，取得动物實验使用许可证的机构有1448个，生产使用证的有422个。实验动物作为医药研发技术的重要载体，保证实验动物质量和实验动物福利和伦理越来越得到重视。评价实验动物设施指标的合理性涉及实验动物环境工程与卫生学、实验动物环境监测与评估等学科，应以实验动物为主体，相关指标都应以满足实验动物福利、保障实验动物质量为核心，因此，新建或改建的实验动物设施竣工启用前，须向所属的实验动物管理部门申请进行设施环境指标检测，检测合格方能投入使用［1］。

实验动物设施室内环境的检测项目包括温湿度、气流速度、换气次数、静压差、空气洁净度、沉降菌、噪声、照度、氨气浓度。实验动物工艺设备的在线监测则包括高压灭菌器、洗笼机、纯水机等大型工艺设备的运行状态监测。物联网软件系统可以在线统计动物笼位库存、笼具的排列、动物入库位置、动物数量、建笼时间等信息。但由于技术手段的局限，要实现以上所有指标的在线动态监测仍有难度。

1 环境指标在线监测可行性分析

以下将从动物实验室涉及的各项环境指标分别分析实现在线监测的可行性。

1.1 温湿度、日温差

不同种类、不同品系的动物生活习性，适宜温度、湿度范围是不同的。环境温度的改变可引起实验动物不同程度的生理系统和机体内环境系统的改变，从而引起某些生理状态（如呼吸、循环、体液、代谢、免疫系统）的改变，并影响受试化合物给药后的吸收、代谢、排泄等［2］。环境温度是实验动物体热平衡和调节的决定因素之一，环境温度变化影响实验动物的产热和散热，如果环境温度超过最佳范围，无论是过热还是过冷，都会迫使动物改变其新陈代谢节律［3］。温度异常对实验动物胎儿会造成非致死性状态伤害，引起发育缺陷，温度异常引起缺陷的类型主要取决于胎儿发育阶段和受热的剂量。温度变化还可使动物的姿势、摄食量、饮水量发生改变。

高湿环境易引起动物代谢紊乱，抵抗力下降，发病率增加，有利于病原微生物和寄生虫生长繁殖，动物被感染的概率增加［4］。湿度升高也会使室内的细菌和氨气含量增加，小鼠仙台病毒在高湿环境比低湿环境更易传播。湿度越高，实验兔类的脚皮炎症发病率越高［5］。湿度低容易引起动物呼吸道疾病。从动物习性来看，兔、犬、猴、猫喜欢相对干燥的环境。多数动物不耐低湿，如大鼠长期低于相对湿度40%容易患上坏尾病。尤其还要考虑环境湿度对挥发性化合物和通过皮肤、呼吸道途径染毒的化合物实验结果的影响［2］。

温湿度的在线监测调控需根据不同动物来设置波动范围，详见表1。独立送风隔离笼具（IVC）系统的温湿度探头宜安装在笼具的排风口，开放式笼具的饲养间温湿度探头宜安装在房间的排风口，可以更加合理地反映房间的环境指标，在线监测数据才具有代表性、真实性，同时可对日温差进行统计分析。温湿度探头与中央控制系统联动，达到及时反馈并调控的效果。该技术成熟，已经普遍应用。

1.2 压差

压差是保证动物实验室空气流线的重要的工艺指标，通过控制压力，促使室内空气向正确方向流动。国内外相关规范要求压力梯度区间应保持在20pa，既可防止污染空气经过天花板、墙壁、窗等缝隙侵入室内，又可以防止动物产生的有害气体扩散。国家标准GB14925-2010《实验动物环境及设施》理念为“实验动物区压差最大”，国际标准ISO14644理念为“灭菌后区压差最大”。

房间静压差传感器宜设置在两个房间相通的门框边，可以较为合理地反映房间之间的压差情况，屏障环境运行压差控制在10～15Pa或根据运行状态调整进行在线监测。普通环境压差设置可根据国际实验动物评估和认证协会（AAALAC）认证要求进行运行状态调整在线监测。在初、中、高效过滤器前后设置压差测量装置，可以在线监测和记录阻力变化及报警（阻力达到初阻力的2倍左右），可以实现自动控制，该技术成熟、应用简单，已成为实验动物设施的标准配置之一。

1.3 气流速度

风速（即气流速度）是决定动物换气次数、温度与散热量以及水分蒸发有关的主要因素。监控风速，是为了避免强风直接吹动物，因为风速增大，动物采食量也会增加，影响其代谢等系列生理系统。而笼架处及笼具内、鼠盒内的气流流动更容易混乱，导致传热传湿及污染物的排出都会受到影响，部分笼具内、鼠盒内环境参数值可能超过标准［10］。安珂慧等［11］通过流体动力学（CFD）模拟不同换气次数下的动物实验室也发现动物笼具前端出现大于规定气流速度的位置。

对于开放式笼具的饲养间，气流速度的测定需要采用风速计在动物饲育区和实验工作区分别设置测点，测点设置于地面高度1.0m处，可根据饲养间的空间大小来布置代表性点位来监测笼具周边的气流速度。虽然风速传感器的测量精度会受到很多因素的影响，但仍可用于气流速度的分析和控制，使动物处在合理的风速区域。

对于IVC系统，可以采用风速传感器来实时测量风速后反馈调节密闭阀来达到精确控制气流量的目的，在IVC系统中该技术相对成熟。监测笼具周边动态气流，根据室内风速标准范围值，实时上传到监测系统软件统计分析笼具周边有效的气体交换率、气流分布的均匀性，以判断笼具周边有没有气流死角。

对于开放式笼具的饲养间，气流速度的在线监测从技术上是具有一定的可行性的，但对于IVC系统，该技术相对成熟。

1.4 换气次数

换气次数是以满足动物和人员以及污染物稀释的需要，从而保证稳定环境的指标，合适的换气次数和室内污染物分布、节能之间存在一定的耦合关系［12］，且合适的气流组织也是降低换气次数的关键。换气次数是通过测定送风口风速，参照风口面积和房间容积计算得出的。换气次数的测定归根结底是风口风速的测定。风口风速的在线监测是可以实现的，经过简单的逻辑换算便可实现换气次数的在线监测。

对于开放式笼具的饲养间，可以根据饲养间动物的饲养量和饲养间产生的有害气体浓度来调整换气次数的增加和减少。换气次数的范围值为屏障环境换气次数15～60次/h，非工作状态下不低于10次/h，一般状态下20次/h，普通环境8～15次/h。新风量与换气次数有关，详见表2。

IVC系统可以根据笼盒更换频次换气次数，从35次/小时逐日增加最大到80次/小时。按变风量运行调控在线监测，重点还要监测鼠笼内风量均衡的问题。

用风速仪传感器测量并换算为换气次数，可实现在线监测，对于开放式、平板式笼具的饲养间具有可行性，在IVC系统中该技术相对成熟。

1.5 空气洁净度

动物实验室空气中浮游微粒总称为空气气溶胶，主要尘源且对实验动物环境影响最大的是粉尘颗粒、动物被毛、浮皮屑、饲料渣、排泄物等。空气中的细菌、病毒、立克次氏体等因其黏附在粉尘颗粒上，故在理论上做粉尘对待，一般附着在0.5微米以上的粒子上并飘浮在空气中（7级0.5微米=35200粒/m3），且能够透过高效过滤器（HEPA）迎风面做浸润运动，并非是悬浮状态。实验动物设施的洁净核心就是生物净化，需控制微生物的产生繁殖和传播，同时还要结合清洗、清洁、消毒、灭菌等行之有效的技术措施来保证洁净区污染控制。

尘埃粒子数测定是空气洁净级别的重要指标之一。目前尘埃粒子数的在线监测已实现并应用于GMP洁净室中。在线粒子空态、静态、动态监测系统可以对所监测环境空气中颗粒的粒径和数量分布进行自动连续的监测和记录。当监测环境中的尘埃粒子数超过设定值时，该系统将会进行声光报警，通知相关人员进行处理，可确保所监测的关键环境中的尘埃粒子数处于正常状态。需要注意的是屏障环境中动态运行下的洁净度要求不容易实现。通过监测尘埃粒子数也可以为空气沉降菌/浮游菌的采样提供判断依据。

空气洁净度静态在线监测技术相对成熟，屏障环境动态在线监测需要结合实际来开发研究。

1.6 空气沉降菌/浮游菌

动物实验室空气中含有的微生物主要以空气浮游生物状态存在，一般附着在0.5微米以上的粒子上做浸润运动。空气沉降菌常规检测方法为：培养皿打开后放置于实验动物设施内地面上30min，加盖，放于37℃恒温箱内培养48h后，计算菌落数（个/皿）［1］。可见，空气沉降菌的检测需要时间较长，想实现在线监测需要克服很多技术难题，以目前的工程技术水平，无法实现在线监测。然而对于生物净化有要求的动物屏障设施也应当更多地采用主动采样的灵敏度高的浮游采样器来监测空气的携菌粒子，同时也保证该携菌粒子的存活率以便增值培养。科学家发现主动采样方法的浮游采样器采集1微米的粒子的收集效率比9cm的被动采集的沉降方法的效率高2250倍。浮游菌采样由于培养基比较容易干燥，现代的采样流速设计为低流速采样，可以尽量延长浮游采样的覆盖时间，无须频繁更换平皿，在线日常监测的浮游采样器的内置软件可设置对所有的采样过程进行监控，并生成不可更改的监测记录，方便追踪，而沉降菌的采样更依赖于纸质记录管理，流转中的管理风险较大。沉降菌采样方法可以作为一种静态/动态过程中浮游菌采样的补充方法，两者一起使用，采集出风面的菌落形成单位（cfu）值。使用时需要避免放置位置不当或者操作错误而造成的污染风险。沉降菌/浮游菌的监测方法，应当基于风险评估来选择和考虑采用哪种方法。因为空气中生物粒子除包括细菌、病毒、真菌外，可能还有支原体、寄生虫、虫卵等。

浮游菌的在线监测技术是成熟的，但沉降菌的在线监测技术无法实现。在屏障环境中，建议采取浮游菌的在线监测和沉降菌纸质记录管理结合使用来监测微生物。

1.7 噪声

犬、小鼠、兔、豚鼠实验动物都可以听到超声波，大鼠可听到70kHz，非人灵长类与人相似20～20kHz，听力范围和人类相比较宽，不同品种的非人灵长类听力频率上线有所不同。噪声超标除造成动物正常应激反应外，主要是对动物交感神经影响最大，引起交感神经紧张，心跳数、呼吸数、血压异常升高。比如，噪声会使小鼠发生的细胞免疫机能改变，免疫功能降低，导致小鼠消化吸收障碍、脱毛等，大鼠发生高血压、心脏肥大、肾上腺皮质激素上升、消化器官分泌机能障碍，肝糖原和抗坏血酸水平升高。噪声超标对大鼠、豚鼠、兔、犬等动物也可诱发听原性痉挛。

噪声传感器可实现对噪声的动态在线监测。信号采集点为房间内离地面1.2m高度的位置，且需要考虑墙壁反射的影响，也可结合室内设施，如笼架等设置采集点。噪声的在线监测在技术上可行。

1.8 照度

光的照度和波長范围的设置应保障动物获得清晰的视觉和维持生理节律，并满足人员工作和观察动物的需要，有些动物对光比较敏感，需采取避光措施，可采用有色玻璃。可见光的波长范围为0.39～0.77微米，其中红光为0.622～0.77微米、橙光为0.592～0.622微米、黄光为0.577～0.597微米、绿光为0.492～0.577微米。光照度刺激对动物生物节律起着重大影响，光照强度和波长的不同对实验动物神经内分泌调节产生不同的影响，不适当的光谱品质、光照强度、光照度周期和光谱的波长等都有可能对动物的健康造成危害［3］。临床前药物研究毒性与副作用试验过程要特别注意，啮齿动物容易适应微暗环境而不能识别颜色，作为夜行性动物的小鼠，在红光或黑暗中其自然活动较多，在黄光中为中等程度，蓝、绿和白昼光中最差［13］。另外，小鼠在粉红色或黑色紫外光中体重增加较快，红色照明对于啮齿类动物意味着黑暗，所以当需要在夜间光照时常采用红光照明，光照强度降低到10lx，这样不影响小鼠的睡眠量和睡眠结构；在20lx照度时小鼠的性周期最稳定，周期为4天。犬缺乏红、绿色觉感知，犬类只能分辨黑白，猴子的色觉十分敏感，不同品种的猴有不同的辨色能力。实验过程同时还要确保光照的均匀性，照度长时间过强会引起动物的视网膜功能障碍。

照度的在线监测目前已在智能建筑灯控系统得到应用，应用于实验动物设施也是可行的，不仅可以实现光强度的监测，还可以对光波长进行在线的检测。对于屏障环境可安装照明控制器营造白天黑夜交替，普通环境特别是犬类、非人灵长类动物饲养间可安装全日光光谱营造自然光的活动场地。照度在线监测技术在实验动物设施中用于技术上是可行的。

1.9 气态污染物

实验动物设施动物产生的主要气态污染源有22种八大类物质，主要成分为氨、硫化氢、臭气。对氨浓度敏感的动物包括大小鼠、豚鼠。氨气会诱发某些呼吸道疾病、中耳炎，在达到25～50ppm浓度时会使动物感染肺炎支原体等，比如小鼠感染肺炎支原体表现为打圈、翻跟头。对硫化氢敏感的动物包括犬、猫、兔。硫化氢会对呼吸道及黏膜有刺激作用，从而引发植物神经功能紊乱，严重的可造成呼吸中枢麻痹，在200～500ppm浓度时会造成窒息死亡。

气态污染物浓度在线检测在养殖业已被广泛应用，应用于实验动物设施是成熟的。

2 设施设备运行在线监控与管理

实验动物设施的设备，如空调机组、排风机的运行状态直接影响到设施内的环境状态，而双扉高压灭菌器、洗笼机、动物饮用水系统、制水系统等设备的运行状态也直接关系到实验动物设施能否正常运行。因此，实验动物设施的设备运行状态及能源管理在线监测至关重要，并且目前的工程技术水平已可以实现。例如，屏障实验动物设施在换气次数15次/h的条件下，根据工作经验其耗冷指标一般为800～1200W/m2，耗电指标0.9～1.0kW/m2。

实验动物饮水系统是动物饲养中关键设备设施，水的质量是保障实验动物饲养环境安全的重要环节，实验动物饮用水的污染物对实验动物的健康、福利和数据的可靠性会造成严重的威胁，比如，饮用水中的有机物可以影响动物的繁殖，水中残留的农药、活性剂等化合物可能干扰内分泌系统，会严重影响动物神经系统发育，导致免疫系统降低并引发肿瘤。由此控制饮用水成为保证水质量的首要任务［14］，由于实验动物饮水主要以国标参数为准，在人饮用水标准范围内，实验动物饮用水未做比人饮用水标准更高的要求，因此，对实验动物健康与实验结果影响应主要以符合人饮用水标准和无菌水状态要求即可，同时还需要考虑水处理制备在线监测指标，纯化水可通过在线和离线方法进行水质质量的监测，目前成熟的在线监测指标有电导率［2020年版中国药典标准为≤4.3μS/cm（20℃）；≤5.1μS/cm（25℃）］、pH值（4.5～7.0）、总有机碳（TOC）（2020年版中国药典标准为≤0.5mg/L）、水温，并结合超限声光报警。

实验动物设施节能的问题关键是找出能耗巨大的原因，国际上节能技术通过冷梁技术—设备节能—需求控制节能—综合节能四个阶段，可以更准确解决实验动物屏障设施设备能耗巨大的问题，同时应用运行节能在线监测是一个将能耗统计、能耗监测、能源审计、能效公示四位一体的节能管理体系，其包括通风空调系统中的各用电设备综合能耗分析、照明系统综合能耗分析、环境系统指标分析、工艺设备能耗分析、能耗统计等功能。

以北京某基因生物技术有限公司为例，在以往工作中，遭遇到因为暖通系统故障导致环境变化从而致使饲养区域大面积出现实验大鼠死亡，以及实验区域人员混乱、能耗高等问题。通过在动物实验园区建立统一的三维物联网管控平台，实现了环境自动控制、人员轨迹追踪管理，小型事故率大大降低，中大型事故率为0的稳定实验环境。同时，平台帮助实验室运维人员快速定位故障设备，及时更换维修，相较于过去的巡检，有效降低了运维人员的工作，节省了约20%的人员成本；通过对暖通、照明等用电设备的有效管控，电力成本也在逐步降低，并通过云技术手段实现云端管控，大大提高管理效率，实现动物设施的智慧化运行。

实验室三维可视化管理平台将实验动物设施内不同功能的智能化系统通过统一的信息平台实现集成，打破数据孤岛，搭建实验室数字基座，形成具有统一管理界面、信息汇集、资源共享、跨系统联动、应急响应、优化管理等综合功能的集成系统，对实验室内相关设备进行全面有效的监控和管理，丰富实验室的综合使用功能，提高实验室管理的效率，确保实验室内所有相关设备处于高效、节能、最佳运行状态。该技术成熟，有多个应用案例。

3 系统集成

以上指标通过在线监测获取后，在电脑后台或移动端，完成在线更新、数据采集、异常报警、实时共享和数据自动分析计算［15］，及时管理调控相关指标，确保各指标在适宜范围内，实现工艺设备运行状态及能源状态等指标集成在线管理，实现数据的实时采集、统计和报警等。

4 讨论

（1）温湿度、房间静压差、气态污染物浓度（主要是氨气和硫化氢）已经实现自动控制及实时监测，成为实验动物设施的标准配置之一；空气沉降菌浓度的在线监测以目前的技术水平尚无法实现；气流速度、换气次数、空气洁净度、噪声、照度、浮游菌等指标的在线监测在技术层面是可行的，但应用时仍需要综合考虑开发及工程造价。

（2）动物实验室可根据工艺流程确定不同运行状态来控制节能或结合不同的使用时间、空间来调整功能需求节能；也可通过细化工艺流程来控制耗能需求并整合系统控制冷热源与通风等设备设施，综合利用能量。这些需求可以利用在线监测来满足，例如实时监测房间洁净度，在保证洁净度的前提下对不同的区域适当降低换气次数和经济合理的送风指标，达到节约运行费用；根据项目负责人对实验室利用率进行前期的分区设计、使用中的分区管理。但实验动物设施及工艺设备是庞大的高建设投入和高运行成本的复杂系统，为响应碳达峰、碳综合，节能已成为实验动物设施不可回避且必须面对的重要课题。

（3）实验动物设施污染控制在理论上应该是全过程的，但目前国标的检测指标设定大多数是空态的，全过程污染控制的目的与检测目的有较大出入，所获得的检测结果不利于评价动态运行的环境。实验动物设施环境在線监测可以很好地实时控制各项环境指标，科研人员在实验报告或论文中可以反映实验环境静态/动态状态的数据，以便日后在对实验结果追查、进行比较研究或者推论于人体时，成为珍贵的情报来源。

（4）实验动物几乎终身被限制在一个极其有限的环境范围内生活，这种环境是实验动物赖以生存的条件［1］。动物实验在实验前和实验中控制各种环境因素十分重要，甚至可以说没有环境控制就没有可靠的动物实验。实验动物设施环境在线监测的意义在于保障实验设施的正常运行，为实验动物提供健康生长发育的环境，保证实验动物健康和质量标准化，进而保障实验研究获得正确的结果，为实验动物工作者提供舒适、适宜的条件并保障其长期从事该工作的身体健康。同时动物设施在线监测可以为试验者、管理者、运维者提供一个直观、立体、全面的溯源数据的智能化信息管理平台。

结语

综上所述，实现实验动物设施环境指标及设备运行指标集成在线监测，对实验动物设施的正常运行及节能、动物福利、动物质量、动物实验结果准确性等方面都有重要意义，实验动物设施指标在线监测需要多项技术集成，如物联网技术、智能化技术，目前大部分技术已经成熟应用，具备可行性。

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基金项目：云南省创新引导与科技型企业培育计划（202004AR040002）

作者简介：张炜（1977— ），男，工程师，研究方向：动物实验室、生物安全实验室环境设施设计、管理。

*通訊作者：师冰（1980— ），女，汉族，山东人，硕士，高级工程师，研究方向：新药研发。