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动物实验室如何布局及控制污染?
摘要 污染控制对于实验动物设施的环境起着至关重要的作用，尤其是SARS病毒的科学研究和感染动物的环境控制对它提出了更高的要求。本文试从污染控制的思路出发，对常用的两种平面布局——单走廊型和双走廊型进行比较和评价，并针对不足提出相应的改进措施。
关键词 实验动物 感染动物 污染控制 单走廊 双走廊
随着我国第一个SARS 冠状病毒感染动物模型的建立，感染动物，尤其是烈性空气途径传染的感染动物的环境的控制，以及实验动物设施中污染的控制，又开始倍受关注。尤其是研制SARS的诊断试剂，免疫手段以及治疗药物不仅涉及小鼠类而且还涉及到灵长类感染动物，污染控制要求更高。其实污染控制并不是个新名词，早在对SPF动物、无菌动物环境的研究中，为保证此类动物不受外界环境的干扰，研究人员尝试使用了各种污染控制的技术，并采用了相应的平面布局，然而，这些措施和布局是否对感染动物依然适用&设计人员是否可以完全照搬&本文试从污染控制思路出发，较系统的介绍实验动物设施的布局形式。
1 前言
实验动物设施内有效的环境控制是保证实验动物质量和动物实验结果科学性的首要条件，而先进的污染控制思路与合理的建筑布局正是实现这种环境控制的可靠途径之一。只将实验动物设施作为一个“综合保障体系”，对它进行整体控制，并将建筑工程技术与生物洁净技术有效的结合起来，才能实现以较少的投入、较简便的操作，获得更佳的控制效果。
要实现对污染的有效控制，需采用合理的建筑平面布局和人物流程，并配合其他有力的措施，如空气净化、温湿度控制、压力控制，以及选择独立通风笼具系统。污染控制贯穿整个动物设施，包括各房间、笼架、笼具等等。简单的说，控制的目的是防止污染物的扩散———即污染物进入设施内或某一特定的区域（如无菌动物、SPF 动物的饲养室和实验室），或污染物由内部流出（如感染动物的饲养和实验室）。控制的对象包括从房间到房间、从人到动物、从动物到人，从动物到动物。这些都可能成为污染扩散的途径，因此应根据功能和微生物级别进行明确的洁净与污染分区，合理规划人、动物、笼具、物品的流线，实验动物设施的平面设计和通道形式符合功能流程短捷和污洁分明的原则，在运行中避免洁污流线的交叉。
2 实验动物设施的布局特点
2.1 实验动物设施的基本功能区域
各实验动物设施根据不同的用途、特点，以及不同的污染控制思路，对布局会提出不同的要求，但无论是以实验动物饲养繁殖为目的的实验动物生产设施，还是以动物实验为目的的动物实验设施，在使用功能上，可分为以下几个区域。
（1）动物接受区：接受引进动物进行检疫并做适当观察的区域。大体由验收室、检疫室、检查室、隔离观察室等构成。
（2）管理区：人员、物品、动物进入洁净区前管理人员和饲育人员作业的区域。主要由更衣室、淋浴室、风淋室、传递窗、渡槽、高压灭菌器等构成。
（3）洁净区：专供不同标准的实验动物繁育或动物实验的区域。由饲育室（观察室）、麻醉室、外科手术室、解剖室、饲料配合室、洁净物品贮藏室、试剂配制室、%&射线室、暗室等构成。
（4）清洗灭菌区：洗涤、消毒洁净区内使用过的物品和外部准备进入洁净区的物品的区域。由洗涤室、消毒室、自动洗涤器、干燥架、烘干仪器、消毒槽等组成。
（5）废弃物处理区：实验动物设施中不可缺少的区域，是专门处理洁净区内产生并传递出来的污浊物品及动物尸体等的区域。
（6）公共设施区：为洁净区提供全年空气调节，送电、变电、配电，及供水等的区域。如果是一综合性实验动物机构，除了上述主要功能区域外，还应包括实验动物质量监测区域、
情报资料室、饲料加工区域、专用运输工具区域、机械维修区域。
2.2 实验动物设施布局的基本原则
设计人员在进行实验动物设施设计时，首先要确定的就是平面布局和通道形式，这也是评价一个设计方案成功与否的一个重要因素。设计前应从以下5个方面考虑：
（1）动物饲育区和实验区之间的连贯；
（2）洁净区与污染区之间的连贯；
（3）人员、动物、清洁笼具和物品的流线；
（4）废弃物、动物尸体和需清洗的笼具的流线；
（5）有关将来可能增加的功能区和建筑物部分的预留问题。
设计时应遵循以下几个基本原则：
（1）实验动物繁育饲养区与动物实验区分开，各成独立系统，专区*室+ 专用。并依据动物数量和特点确定辅助功能区的规模；
（2）在规模较大的实验动物楼，从微生物控制以及实验动物使用管理方便考虑，应将低级别实验动物放在低楼层，高级别动物安排在高楼层；不同等级的设施应严格隔离，避免将不同等级实验动物置于同一楼层，以保护高等级设施不受污染；
（3）同等级且性情较温顺的动物可安排在同一楼层、同一套设施内，但各占空间；不同品种品系的实验动物要独立饲养，不可放在一个房间内混养，以免交叉干扰；对环境造成较大影响的动物，如犬会制造巨大噪声，应作特别处理；
（4）洁净设施布局设计时，应保证人员、物品和空气的单向移动，以避免交叉污染，这是最为重要的基本要求；
（5） 设施布局要方便日常工作和实验操作，并有足够的空间放置所需物品。
2.3 感染动物设施布局的特殊要求
感染动物的布局应首先遵循上述的基本原则，然后可根据该类动物的特殊性和危险性，做以下几个方面的考虑。
（1）选址：感染动物的饲养区和实验区应远离那些可能会受到影响的动物，以确保万一发生紧急情况，其他动物也不会受到污染。
（2）分区：应将感染动物的饲养区和实验区设在相邻区域，可以合用一套处理特定危害的系统，如生物危害、放射性同位素以及化学致癌物质等。感染动物实验室应划分清洁区、半污染区和污染区，各区之间的过渡应设有缓冲区，并有明显的区域标志和负压梯度显示。
（3）人员的流线：人员在进入的更衣室穿好特制的工作服后进入饲养和实验区，工作结束后应严格按照更衣程序脱去工作服，并淋浴后，出更衣室。
（4）动物的流线：实验用的动物，除了鼠类等小动物外，灵长类动物等大动物在进入实验区前更应注意在清洁区进行清洗，必须在负压隔离器内饲养动物，并保证隔离器内足量的过滤通风和负压状态，动物尸体化学消毒后，装入高压灭菌器灭菌，或送入焚化炉焚化。
（5）排风的处理：感染动物实验区的排风不可再利用，一定要采用全新风系统。排风须经高效过滤器（HEPA）才可排入大气，如果动物身上带有特殊的可能会对人体健康造成很大危害的病原体，则此处的排风应经过两个串连的空气过滤器（第二次必须为高效过滤）才可排出，有时也对排风进行焚烧处理。
（6）废弃物的处理：固体废弃物应进行化学消毒并装入密封袋，放入带气锁的传递窗，经消毒后再用密封袋包装，放入高压灭菌器灭菌：液体废弃物也应化学消毒或热处理，才可排出。
（7）其他：某些特殊情况下，考虑使用双墙、双门等特殊结构：实验室内的生物安全柜应为排放型二级或三级安全柜。
3 走廊形式及其评价
3.1 设计理念
走廊作为人、物的通道，是最易发生交叉污染的区域，应是我们控制和管理的主要对象。对于大型的实验动物设施，除了通常所考虑的人流物流外，其通道的设计和控制重点应该考虑的是笼具的传送，因为最频繁使用通道的就是笼具传送，日常的笼具传送指的是将它们从各动物房间到清洗区（从污物侧到清洁笼具存放处，再到笼具准备处），清洗后送回房间，很明显，这一路线几乎穿越所有的通道，所以笼具的传送是否方便可靠会大大影响动物设施的功能区是否得到有效发挥。
如何对通道传染性和非传染性污染物进行有效的管理控制，是实验动物设施设计时就必须优先考虑的问题，如果完全依靠自动控制系统和装置，必会造成初投资金额大和建成后的控制繁琐与复杂，而且在人物流程安排根本不合理的前提下，即使再强大的自控系统也是无法阻止污染物的扩散和交叉污染的发生。污染控制是最终目的，但控制方法应根据具体的控制对象而定，在进行平面布局设计和走廊形式选择时，都更是应该围绕这个目的进行。目前国内对系统分类还没有统一的叫法，通常称为“正压系统”、“负压系统”，笔者从污染控制的角度认为可分为以下三类：
（1）屏障系统(正压系统)：如果是为了保护动物，就应该防止动物受到外来病毒和原始病原体的侵害，那么就应该采用屏障系统，使污染物不能进入，以保护内部的环境。SPF 动物和无菌动物均应采用此类系统。
（2）隔离系统,负压系统-：如果是为了控制自然发生或实验产生的污染物，则应该设计成隔离系统，以保证污染物被阻隔起来，从而保护外部的环境。此类系统主要应用于感染动物。
（3）混合系统：事实上，一个综合性的动物设施不可能只进行一类实验，所以所采用的系统也不可能是单纯的一种，最常用的是介于上述两种系统之间的，称为混合系统，它能同时满足两个系统的要求，只是功能和效果上会有所不同。采用这类系统时要注意，即使在同一层面有些房间要求正压，有些又要求负压，也需做到分区明确，做到物理隔离；如果必须在同一设施，同一系统，则必须使用全新风直流空调系统，并对排风分别处理。
另外对于对非空气途径传播的污染物的控制常常存在一个误区，就是只把它看成是设计的目标，事实上它首先是管理的问题，与之相比，对空气传播的污染物进行有效控制既依赖设计，也离不开管理，它在很大程度上依赖于设施的建筑结构和工程特点，所以它更具难度和挑战性，这也是本文讨论的重点。
3.2 常用的走廊形式与评价
平面布局是污染控制思路的体现，不同的控制思路，强调的控制重点不同，使得人物流线和洁污流线布置也不同，这里我们重点考虑的是笼具流线。各国常用的实验动物设施的布局各式各样，叫法也多种多样，但就走廊形式而言，可分为单走廊型和双走廊型，下面分别做介绍，并从污染控制的角度进行评价。
3.2.1 单走廊型
常见的单走廊型布局有下列两种方式：双向流单走廊型!见图1和单向流单走廊型（图2）。
前面已经提到过笼具的传送将会频繁使用到通道，所以我们将控制的重点放在清洁笼具和污浊笼具的流线上。图中箭头表示的是笼具的传送 路线，并未标出人员、动物和物品的进出区域和流线。所谓的“单向流”、“双向流”均就笼具由各房间到清洗区的走向而言。由图中可以看出，单走廊型中所有动物房间的门均设在唯一的走廊上，人员、物品、动物、笼具均有此门进出。其中双向型的清洗前后的笼具均由同一走廊传送，也由同一走廊进出房间；单向型有所不同，笼具的传送方向为单向的，但仍存在污洁不分的现象。
单走廊型布局的最突出的优点就是能有效利用空间，房间只设一个门，大大减小了所需通道的面积，这使得房间面积可用面积变大。而且布局简洁、流线明确，符合工作人员的行走习惯。最大的问题就是在走廊上存在发生交叉污染的隐患。原因就是洁净与污染流线没有明确的区分，污洁的笼具、以及人员、动物和物品都使用同一通道，在空间上难以划分污洁流线，只能依靠时间差来区分。这就要求有严格的管理措施，工作人员有良好的素质和技能，这样将能够减小交叉污染发生的可能。另一个存在的问题是如果房间多，来往的笼具、人员很可能造成走廊上流通的不方便，这点也可以通过加大走廊宽度而进行改善。有关动物饲养设施有效利用空间的研究表明，走廊加宽0.3m，与两侧的房间各加长0.15m相比， 空间的有效利用率会大大提高。
有序的压力梯度是控制空气中污染物的一个关键因素，其目的就是造成气流由洁净度较高的区域向洁净度较低的区域，从洁净区向非洁净区的定向流动，它是依靠空调系统的送排风风量使相邻区域产生压差，从而使得空气沿着理想的方向流动。单走廊的布局中的压力分布根据系统的不同而有所不同。见表1。
屏障系统的走廊压力小于房间压力，在隔离系统中走廊压力大于房间压力，是因为在屏障系统中，一般不会产生传染性的污染物，所以不需要担心房间内的空气会流向走廊。但是如果房间内可能产生动物散发的污染物，则要在污染物消除之前，进行有效的隔离，并保持房间相对负压。这样可以大大减少空气中动物过敏原的数量。
3.2.2 双走廊型
常见的双走廊型布局有如下三种形式：单侧双走廊型布局（见图3）、用于屏障系统的双侧双走廊型布局（见图4）和用于隔离系统的双侧双走廊型布局（见图5）。
双走廊型布局中动物房在两独立的走廊上各设一扇门，一条用来运走需清洗的笼具，另一条用来运来清洗过的笼具，即“污物走廊”和“洁净走廊”。笼具的路线均是单向的：笼具由清洗区的清洁侧出来，经过洁净走廊， 送到各个房间，污浊的笼具由房间出来，经污物走廊，进入清洗区的污物侧。
图4 和图5的房间和走廊布局完全相同，不同的是笼具传送的方向，以及污物走廊与洁净走廊的相对位置。屏障系统的洁净走廊放在中央，连接笼具清洗区的清洁侧和各个房间，气流的方向是洁净走廊 各房间 污物走廊，气流有中心向两侧流动，保证了房间的内环境不受外环境的影响，有效控制了污染物的进入。隔离系统的污物走廊放在中央，连接笼具清洗区的污物侧和各个房间，气流方向也是洁净走廊 各房间 污物走廊，不同的是
由两侧向中心流动，使得房间的内环境不会影响外环境，有效控制了污染物的流出。压力
分布见表1。
双走廊型的布局之所以得到广泛的应用是因为与单走廊型相比，最主要的优势就是污染控制更有效和方便，因为它避免了清洁物品和笼具与废弃物、污浊的笼具混在同一走廊上，大大降低了交叉污染的风险。同时，双走廊型还方便了人流、物流。
但是，双走廊型占地面积大，造价高。通道面积占总使用面积的百分比大大高于单走廊型。采用双走廊型常常面临这样的问题；要容纳额定数量的动物，就必须要加大动物设施的规模；否则就只能减少动物数量。这个从图1～图5也可看出，相同的占地面积下，单走廊型动物房间的面积远远大于双走廊型，而且房间多开一扇门也会减少房间的可利用面积。
另一个不足就是会造成工作人员的增多，从经济性的角度来说，就是运行的人工费用也会高于单走廊型。因为如果双走廊型要确保污洁流线的分明，要将清洁区和污染区严格分隔，工作人员只有在淋浴更衣后才能由污染区返回清洁区，如果管理不善，这样繁琐的过程使得大多数动物设施虽然设计成双走廊型，除了形式上存在洁净走廊和污物走廊，实际运行和使用起来，只是将一条走廊作为储藏之用， 而另一条才作为通道，这实际上已经转变成单走廊型。设计思路没有贯彻到运行管理思路上去，这也许是最大的不幸。
将动物设施设计成双走廊型，设计人员总倾向于大房间、小走廊的形式。房间面积大， 对于某些特定的研究活动（如大型动物的生产、对大量动物进行毒性研究） 是十分理想的。但如果设施是用来做基础的生化研究， 这样大面积的房间将会起到相反的作用。因为一般的研究需要把动物按种类、微生物级别、来源和一些特定的要求分开进行饲养和研究， 这样就会造成房间数量不够， 但每个房间面积的利用率不高的现象。这个问题的解决可以通过改变建筑结构和采用特殊的笼养系统， 把大房间进行合理分隔， 以满足研究要求， 但这样并不能完全代替使用单个的小房间。
总之，双走廊型的布局在很多方面都优于单走廊型，是比较理想的走廊形式。但它的造价高，在污染控制方面也存在一定的局限性，因此我们需要对双走廊型的经济性和空间有效利用率之间的关系做进一步的研究，并不断寻求其他有效的污染控制方法。
4 压力控制与建筑和设备上的改进措施
4.1 压力控制
前面已经指出，有序的压力梯度是保证污染控制的有效手段之一，压差的存在可保证气流的定向流动，从而防止了污染物的扩散。但应该强调的：使压力控制真正有效发挥作用的前提是平面布局合理，并设置了多重屏障，而且围护结构严密，否则完全依赖使用压力控制是不能完全达到污染控制的要求的，也就是说要真正实现物理隔离，是不能仅仅依靠压力控制的，因为它会存在如下的问题。
（1）压力控制不可能完全可靠：一个设计得十分精确完美的压力控制系统在实际中不可能完全按照设计要求准确无误的运行和操作，如果没有做到有效的屏障和隔离，那么小小的差错将导致整个设施环境的破坏。因为即使系统经专业人员调试，各风量和压差都达到设计值，它也需要不断的监控调节才能持久的保证它的各项功能。机械设备方面的问题（如风机传动皮带松弛、叶轮变形，过滤器堵塞）， 这些都可能改变压力梯度，影响压差大小，甚至会正负压颠倒。但如果设置了多重必要的屏障，即使一个环节出现了问题，也不至于会影响整个系统。同时也应对各点的相对压力进行日常监控，并在比较重要的区域对压差进行自动监控和报警，这样更可保证系统的有效性。
（2）开门对压力分布的影响：一般的压力系统都是在所有门都关闭的情况下进行设计的，门平时是关闭的，当门打开时，在开门瞬间保持有一股定向流，但开门时间一长，两个空间的压差自然会变小，没有了一定的压差，空气和空气中可能存在的污染物将通过打开的门在两个空间之间相互乱窜，这就大大影响了压差对空气污染物的控制效果。
从以上的分析中可以看出，完全依靠压力控制是不能保证污染的有效控制。要做好物理隔离，除了依靠选择合适的走廊形式，还应该配合相应的建筑结构和设备。
4.2 建筑和设备上的改进措施
无论是单走廊型还是双走廊型，如果单纯依靠压力控制，是不可能很好实现污染控制的，还应对设施内气流进行多点控制，并使用多重屏障。最理想的方式是为设施从外到内，从大环境到小环境都应设置必要的屏障，具体措施如下由。
（1）为整个设施设缓冲室
缓冲室是控制空气污染物进入或流出动物设施或设施内某一区域（如屏障区或存在有害污染的区域）的有效措施之一。缓冲室的门设有连锁装置，以确保缓冲室的门不会同时打开。缓冲室的压力视具体情况而定。
（2）为各房间设前室和传递窗
前室的作用与缓冲室基本相同，但同时可用作动物处置室。前室最不利处就是笼具要通过两扇门才能进入房间，而且还必须为前室设置通道，这样就大大减少了动物饲养、实验和研究的空间，所以有些设施采用了传递窗。当然它的传递空间较小，是无法完全取代前室的。前室压力的大小取决于动物室是在屏障系统，隔离系统，还是混合系统。在屏障系统和隔离系统中，前室的压力应大于房间，小于走廊。然而在混合系统中，同一走廊上的房间部分需要屏障，部分需要隔离，那么前室的压力就各不相同，需要视具体情况而定。在某些情况下，也可使得前室的压力低于房间和走廊。
（3）为房间内的笼架设动物隔间或选用自带通风的笼架
动物隔间是用来将动物房间分隔成一个个独立的动物饲养单元。通常一个隔间能容纳一个笼架。每个隔间都是封闭的， 有独立的通风系统。也可直接选用自带通风系统的笼架。
（4）采用独立通风的小型隔离笼
在采用单走廊形式的设施里，可以通过特殊笼养系统以减小空气污染物的扩散的隐患。可采用的笼养系统形式多样：多笼隔离器、单笼隔离单元（小型隔离笼具）和通风笼架。这些笼养系统需要一定的建筑结构来配合。如：独立通风笼架需要软管接至房间的送风和排风管道，其他形式的通风笼架若是将房间的空气引入笼架内，则需要配备风机和高效过滤器，在计算房间热负荷时也应考虑这些装置的散热。
5 结论
（1）不同的污染控制理念，提出不同的平面布局，对于大面积实验动物设施，本文从以动物笼具为中心流线的角度，对污染控制与布局提出更新的思路。而对目前涉及较多的感染动物，也提出了更高的要求，更严格的控制。
（2）双走廊型与单走廊型相比，在交叉污染的控制上更有效。但在各房间内动物中污染物扩散上，两种形式都不是很有效，应该要考虑选用合适的笼养系统。
（3）如果空间有效利用率不是首要考虑因素，那么双走廊型是较好的选择；如果空间有限，那么可以采用单走廊型布局，但应利用动物设施的各种建筑结构和笼养系统来实现对污染的有效控制。
（4）有序压力梯度是控制空气传播污染物的有效措施之一。走廊的压力大小应根据系统形式而定。用于饲养%&’动物、无菌动物的屏障系统和用于饲养感染动物的隔离系统，平面布局基本相同，但压力分布和人员、物品、动物、笼具的流线有所不同。
（5）要实现真正的物理隔离，离不开严格的压力控制，但要压力控制真正有效的发挥作用，还必须依靠合理的建筑平面（如选用合适的走廊形式，设置缓冲室、前室和动物隔间）的前提下，并配合合适的建筑结构（如加强密闭性），以及设备（多笼隔离器、单笼隔离单元、通风笼架）等综合支撑。
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