獨(dú)立通風(fēng)籠盒內(nèi)換氣次數(shù)與壓差差異性分析

張建平, 傅江南

(暨南大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理中心, 廣州 510632)

為了獲得有關(guān)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面的新知識(shí)或解決具體問題進(jìn)行科學(xué)研究而使用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物需在特定環(huán)境設(shè)施內(nèi)進(jìn)行飼養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)，其中大、小鼠需飼養(yǎng)在屏障設(shè)施內(nèi)。因獨(dú)立通風(fēng)籠盒(IVC)具有可避免交叉感染、可在同一房間內(nèi)飼養(yǎng)不同的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物屏障設(shè)施內(nèi)[2]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)IVC設(shè)備的研究主要集中在籠盒內(nèi)氣流速度，氨濃度，換氣次數(shù)，籠盒的密封性，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生長(zhǎng)繁殖情況等方面，但I(xiàn)VC在使用過程中, 設(shè)定參數(shù)后, 同一籠架內(nèi)各個(gè)籠盒換氣次數(shù)及內(nèi)外壓差是否滿足要求，彼此之間是否有差異，差異大小等方面的研究較少。實(shí)驗(yàn)小鼠從出生到死亡一直生活在籠盒內(nèi)，籠盒內(nèi)的微環(huán)境就是小鼠賴以生存的環(huán)境，而IVC籠盒內(nèi)微環(huán)境的質(zhì)量如溫度、濕度、CO2濃度[3]和氨濃度[4]等參數(shù)與換氣次數(shù)和壓差密切相關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有關(guān)因素的關(guān)系[5]: R=(A+B+C)D±E，R為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的總反應(yīng); A為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物種的共同反應(yīng); B為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物品種、品系的特有反應(yīng); C為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的個(gè)體反應(yīng)(個(gè)體差異); D為環(huán)境影響; E為實(shí)驗(yàn)誤差。可知，A、B、C是與遺傳有關(guān)的因素，D與R成正相關(guān)而起主要作用。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過程中，IVC籠盒內(nèi)微環(huán)境的控制和動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境的一致性，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要影響[6]。

IVC主要應(yīng)用于小型嚙齒類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物[7]，施正良等[8]推薦屏障系統(tǒng)內(nèi)安放IVC雙保險(xiǎn)模式飼養(yǎng)嚙齒類動(dòng)物，根據(jù)工作時(shí)間段進(jìn)行控制，降低建造費(fèi)和維持費(fèi)，達(dá)到節(jié)能的目的。此種運(yùn)行模式，在非工作時(shí)間，籠盒內(nèi)的溫度、濕度、換氣次數(shù)及內(nèi)外壓差等完全依賴于IVC，因此籠盒內(nèi)實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)定值一致性至關(guān)重要。

本文通過實(shí)測(cè)方法對(duì)IVC在運(yùn)行過程中，不同位置籠盒內(nèi)的換氣次數(shù)和內(nèi)外壓差進(jìn)行測(cè)試和分析，該研究有助于對(duì)IVC通風(fēng)系統(tǒng)有進(jìn)一步的了解，通過研究尋找如何將同一架IVC籠盒之間的換氣次數(shù)和內(nèi)外壓差波動(dòng)控制在較低范圍的方法，減小實(shí)驗(yàn)動(dòng)物微環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提高動(dòng)物福利，并有助于設(shè)備的使用和管理。

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)備

國(guó)產(chǎn)90籠位二代小鼠IVC：不銹鋼籠架，籠架與主機(jī)相對(duì)獨(dú)立，單面，一拖二，籠盒的送排風(fēng)方式為上送上排式。IVC為2017年新購置，根據(jù)設(shè)備使用要求，初效過濾器更換周期為三個(gè)月，高效過濾器更換周期為6個(gè)月～12個(gè)月，因進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的空氣潔凈度不同，因此可根據(jù)需求更換高效過濾器，管道半年清洗一次。

經(jīng)過校準(zhǔn)(校準(zhǔn)日期: 2017年7月11日)的testo425風(fēng)速儀和testo512壓差計(jì), 均有廣州祿圖電子科技有限公司提供。

1.2 環(huán)境條件與控制

IVC放置在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物屏障設(shè)施內(nèi)[SYXK(粵)2017-0174], 設(shè)備正常運(yùn)行, 但無飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物, 籠盒內(nèi)的換氣次數(shù)及壓差通過IVC控制面板進(jìn)行控制, 其中設(shè)備的測(cè)試籠盒放置在靠近主機(jī)的最下端。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)分組 參考已發(fā)表文獻(xiàn)[9]，設(shè)定待測(cè)的IVC控制面板參數(shù):其中換氣次數(shù)設(shè)定為40次/h或50次/h; 目前IVC籠盒內(nèi)外壓差的設(shè)定，國(guó)內(nèi)并沒有明確統(tǒng)一規(guī)定，江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)[10](DB32/T972-2006)中要求IVC靜壓差必須大于10 Pa，故設(shè)定籠盒內(nèi)外壓差為+10 Pa, +20 Pa。從控制單一變量方面考慮，將實(shí)驗(yàn)分為3組，(1)對(duì)照組: 設(shè)備IVC-4,參數(shù)設(shè)置: 換氣次數(shù)50次/h，籠盒內(nèi)外壓差+20 Pa;(2)實(shí)驗(yàn)組1: 同一品牌的IVC設(shè)備, IVC-1、IVC-2、IVC-3，參數(shù)設(shè)置: 換氣次數(shù)50次/h，籠盒內(nèi)外壓差+20 Pa; (3)實(shí)驗(yàn)組2: 同一套設(shè)備IVC-4，設(shè)置不同參數(shù): 換氣次數(shù)50次/h、40次/h，籠盒內(nèi)外壓差+20 Pa、+10 Pa。以上三組實(shí)驗(yàn)，均待IVC設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)設(shè)備各個(gè)籠盒內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，分組詳見表1。

根據(jù)以上分組的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析設(shè)備在不同參數(shù)設(shè)置下，各籠盒內(nèi)換氣次數(shù)及籠盒內(nèi)外壓差之間的差異，及實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的差異。

表1 檢測(cè)對(duì)象IVC設(shè)備編碼及分組

1.3.2 換氣次數(shù)和壓差測(cè)定 換氣次數(shù)測(cè)定: 在測(cè)試籠盒底部對(duì)準(zhǔn)送風(fēng)口處開孔，把風(fēng)速儀的探頭通過開孔伸入籠盒，并密封孔口與探頭之間的縫隙，探頭正對(duì)送風(fēng)口, 測(cè)送風(fēng)口處風(fēng)速, 設(shè)置測(cè)定步長(zhǎng)為1 min, 連續(xù)測(cè)定3次，求平均風(fēng)速。通過更換測(cè)試籠盒的位置，測(cè)試IVC架上籠盒送風(fēng)口的風(fēng)速，再根據(jù)送風(fēng)口尺寸和籠盒容積，計(jì)算換氣次數(shù)。壓差測(cè)定: 把連接壓差計(jì)高壓端的軟管通過測(cè)孔伸入籠盒內(nèi)，低壓端放置籠盒外，待數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)定3次，求平均值。壓差測(cè)定和換氣次數(shù)測(cè)定同步。

2 結(jié)果

2.1 在設(shè)定相同換氣次數(shù)和壓差條件下不同IVC設(shè)備各籠盒內(nèi)換氣次數(shù)均勻性

如圖1所示。IVC-1籠盒內(nèi)最小和最大換氣次數(shù)分別為15次/h和75次/h, 籠盒之間換氣次數(shù)的差異達(dá)60次/h; IVC-2、IVC-3 和IVC-4的相應(yīng)數(shù)據(jù)分別為30次/h、80次/h、50次/h; 15次/h、70次/h、55次/h和30次/h、60次/h、30次/h。換氣次數(shù)基本滿足實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生存要求, 但波動(dòng)幅度較大, 4套設(shè)備換氣次數(shù)的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值相差約±30次/h。

2.2 在設(shè)定相同換氣次數(shù)和壓差條件下不同IVC設(shè)備各籠盒內(nèi)外壓差均勻性

所有檢測(cè)設(shè)備籠盒內(nèi)外壓差均大于8 Pa(圖2),除設(shè)備IVC-1外，另三套設(shè)備籠盒內(nèi)外壓差均小于25 Pa，每套設(shè)備籠盒內(nèi)外壓差差異幅度在10 Pa之內(nèi)，分布較均勻。設(shè)備IVC-1中間位置和離主機(jī)最遠(yuǎn)位置，個(gè)別籠盒內(nèi)外壓差值較高，與此套IVC設(shè)備排風(fēng)口處的接頭有關(guān)。4套設(shè)備籠盒內(nèi)外壓差的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值相差約10 Pa。

2.3 相同IVC設(shè)備在設(shè)定不同換氣次數(shù)和壓差條件下各籠盒內(nèi)換氣次數(shù)均勻性

從圖3可見，同一設(shè)備(IVC-4)設(shè)置參數(shù)為50次/h、+20 Pa時(shí)，籠盒之間換氣次數(shù)差值為30次/h; 設(shè)置參數(shù)為50次/h、+10 Pa時(shí)，籠盒之間換氣次數(shù)差值為40次/h; 設(shè)置參數(shù)為40次/h、+10 Pa時(shí)，籠盒之間換氣次數(shù)差值為35次/h; 設(shè)置參數(shù)為40次/h、+20 Pa時(shí)，籠盒之間換氣次數(shù)差值為52次/h。表明當(dāng)換氣次數(shù)設(shè)置值較大，壓差設(shè)置值較小，或換氣次數(shù)設(shè)置值較小，壓差設(shè)置值較大時(shí)，籠盒之間的換氣次數(shù)差異增大。

圖1 不同設(shè)備各個(gè)籠盒內(nèi)換氣次數(shù)分布圖Figure 1 The distribution of air change in cage boxes of different equipment

圖2 不同設(shè)備各個(gè)籠盒內(nèi)外壓差分布圖Figure 2 The distribution of pressure in cage boxes of different equipment

2.4 相同IVC設(shè)備在設(shè)定不同換氣次數(shù)和壓差條件下各籠盒內(nèi)外壓差均勻性

同一設(shè)備(IVC-4)四條壓差曲線波動(dòng)幅度均在設(shè)置參數(shù)附近(圖4)。當(dāng)參數(shù)設(shè)置為+10 Pa時(shí)，個(gè)別籠盒內(nèi)外壓差在4～5 Pa，因此為滿足使用要求，保證籠盒內(nèi)正壓均大于5 Pa，要求IVC設(shè)備參數(shù)設(shè)置時(shí)，壓差值設(shè)置需大于+10 Pa。

3 討論

IVC設(shè)備通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的，是通過風(fēng)管合理組織空氣流動(dòng)，使得風(fēng)量按需求分配。其中空氣在風(fēng)管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的壓力損失有兩種形式: 摩擦壓力損失和局部壓力損失，即空氣流過風(fēng)管時(shí)與管道壁摩擦造成的損失和經(jīng)過彎頭時(shí)造成損失，這些損失與管道壁粗糙度、管道長(zhǎng)度、風(fēng)速、彎頭個(gè)數(shù)等有關(guān)[11]。IVC設(shè)備有其自身的特點(diǎn)，當(dāng)籠盒位置不同, 距離風(fēng)機(jī)出口距離就不同, 導(dǎo)致壓力損失不同,籠盒內(nèi)換氣次數(shù)存在差異。通過對(duì)實(shí)測(cè)值的分析表明，設(shè)定換氣次數(shù)與實(shí)測(cè)籠盒內(nèi)換氣次數(shù)存在差異(±30次/h)，并且同一籠架上籠盒與籠盒之間的換氣次數(shù)實(shí)測(cè)值差異較大，在30次/h～60次/h; 不同位置籠盒之間內(nèi)外壓差的差異較小，實(shí)測(cè)值均在設(shè)定值的±10 Pa范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖3 相同設(shè)備各個(gè)籠盒內(nèi)換氣次數(shù)分布圖Figure 3 The distribution of air change in cage boxes of same equipment

圖4 相同設(shè)備各個(gè)籠盒壓差分布圖Figure 4 The distribution of pressure in cage boxes of same equipment

隨著IVC設(shè)備廣泛應(yīng)用于大、小鼠的飼養(yǎng)，IVC籠盒內(nèi)的微環(huán)境問題已引起廣大學(xué)者的關(guān)注。Marchesi 等[12]研究表明，設(shè)置IVC設(shè)備換氣次數(shù)為30次/h時(shí)，IVC籠盒內(nèi)的溫度比設(shè)施內(nèi)的溫度高，這與籠盒密閉及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物散發(fā)的熱量不能及時(shí)被新風(fēng)帶走有關(guān)。 Krohn等[13]研究結(jié)果顯示IVC籠盒內(nèi)換氣次數(shù)設(shè)置盡量小于80次/h。本實(shí)驗(yàn)主要研究IVC設(shè)備不同位置籠盒之間換氣次數(shù)和壓差的差異，設(shè)備在運(yùn)行過程中，籠盒內(nèi)外壓差差異較小，均在設(shè)置值±5 Pa范圍內(nèi)波動(dòng)，結(jié)果與國(guó)內(nèi)其他文獻(xiàn)報(bào)道相似[14]，為保證所有籠盒內(nèi)外壓差≥+5 Pa，避免實(shí)驗(yàn)動(dòng)物受到外界環(huán)境的干擾，設(shè)備壓差設(shè)置值需≥+10 Pa。

大、小鼠飼養(yǎng)于密閉的IVC籠盒內(nèi)，盒內(nèi)溫度、濕度、氣流速度及氨濃度均與換氣次數(shù)有密切關(guān)系，為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性、可靠性等，減少環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，需進(jìn)一步研究如何將同一架IVC籠盒之間的換氣次數(shù)和內(nèi)外壓差波動(dòng)控制在合理范圍，籠盒內(nèi)實(shí)際的換氣次數(shù)與內(nèi)外壓差盡量與設(shè)定值保持一致。

從實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利方面考慮，也應(yīng)該進(jìn)一步研究IVC在不同換氣次數(shù)和壓差參數(shù)設(shè)置下，籠盒內(nèi)的氣流分布，溫度、濕度及氨濃度的分布情況，保證動(dòng)物生長(zhǎng)的舒適性。

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