海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫設(shè)計和建設(shè)要點初探
——以國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫為例

祝令民 解凌燕 王躍軍 辛福言

(中國水產(chǎn)科學研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島 266071)

打好種業(yè)翻身仗，種質(zhì)資源是基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源是保障國家糧食安全與重要農(nóng)產(chǎn)品供給的戰(zhàn)略性資源，是種業(yè)原始創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。2019年，國務(wù)院在《關(guān)于加強農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護與利用的意見》(國辦發(fā)〔2019〕56號)中明確提出，要“加快國家作物種質(zhì)長期庫新庫、國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫建設(shè)”。2021年，中央一號文件《中共中央 國務(wù)院關(guān)于全面推進鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》發(fā)布，再次強調(diào)要“加強國家作物、畜禽和海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫建設(shè)”。習近平總書記在主持召開中央全面深化改革委員會第二十次會議時強調(diào)，“農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，種子是基礎(chǔ)”，要“實現(xiàn)種業(yè)科技自立自強、種源自主可控”,為種業(yè)科技創(chuàng)新、種業(yè)創(chuàng)新指明了方向。漁業(yè)種質(zhì)作為農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源的重要組成部分，是水產(chǎn)良種培育、漁業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及漁業(yè)科技的基礎(chǔ)；建設(shè)現(xiàn)代化的漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫，是保護優(yōu)良種質(zhì)資源、實現(xiàn)漁業(yè)生物資源可持續(xù)利用的必要途徑。

1 漁業(yè)生物種質(zhì)資源保存現(xiàn)狀

漁業(yè)種質(zhì)資源存在于廣闊的海洋、湖泊、江河等水域環(huán)境中，由于水域環(huán)境的復雜性和特殊性，其保存方式較之陸地動植物更具復雜性和不可控性[2]。種質(zhì)資源的保護措施主要是就地保護和遷地保護。就地保護即采取措施在生物繁殖、生活的區(qū)域進行原地保護，主要方式是設(shè)置保護區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)535個(截至2018年11月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部批準設(shè)立第十一批)[3-4]，各省根據(jù)各自的情況也設(shè)置有省級水產(chǎn)種質(zhì)資源庫保護區(qū)。異地保護指在生物原棲息地以外的人工創(chuàng)造的環(huán)境中，對生物的活體以及標本、組織、細胞和基因等進行保護保存，主要就是建設(shè)建立水產(chǎn)原良種場和種質(zhì)資源庫。水產(chǎn)原良種場主要以活體保存為主體，自1996年原農(nóng)業(yè)部開始審定水產(chǎn)新品種，創(chuàng)建第一家國家級水產(chǎn)良種場起，截至2019年，我國已有國家級水產(chǎn)原良種場86家，省級水產(chǎn)原良種場800多家[5]。種質(zhì)資源庫可以從活體、標本、細胞、基因、微生物(有益菌和病原)和數(shù)據(jù)庫等多個方面進行種質(zhì)資源的保存、應(yīng)用、開發(fā)和共享。從活體、標本、細胞、基因、微生物(有益菌和病原)中一個或多個維度，國內(nèi)外均建設(shè)有相應(yīng)的種質(zhì)資源庫，但綜合活體、標本、細胞、基因、微生物(有益菌和病原)的種質(zhì)資源庫，國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫尚屬首例。該資源庫于2016年6月獲國家發(fā)改委批復立項。2019年6月，《科技部 財政部關(guān)于發(fā)布國家科技資源共享服務(wù)平臺優(yōu)化調(diào)整名單的通知》[6]中明確設(shè)立國家海洋水產(chǎn)種質(zhì)資源庫和國家淡水水產(chǎn)種質(zhì)資源庫，正式形成兩大水產(chǎn)種質(zhì)資源共享服務(wù)平臺。

2 漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫的特點和功能

20世紀50年代以來，隨著低溫冷凍技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對建立種質(zhì)庫有了更加先進的手段和方法。美國建立了美國西北部鮭鱒魚類原種冷凍精子庫，保存了采自500多尾大鱗大麻哈魚和150尾虹鱒野生個體的精子，保存精液樣品達10 000多份。在漁業(yè)經(jīng)濟動物基因資源發(fā)掘與種質(zhì)保存方面，我國先后完成了半滑舌鰨、大黃魚、石斑魚、牙鲆、牡蠣、對蝦等多個經(jīng)濟動物的全基因組測序。1975年，方宗熙率先創(chuàng)建了海帶配子體克隆種質(zhì)庫，大型海藻種質(zhì)資源庫由此而來，2006年種質(zhì)庫改建，截至2016年12月，累計采集并鑒定了166個物種的9 279份大型海藻樣品，保存有海帶、裙帶菜、卡帕藻、麒麟菜、石莼、江蘺、馬尾藻、松藻等26個全球經(jīng)濟性物種的1 000余份活體種質(zhì)，成為國際上種類最豐富、遺傳資源量最大的海藻種質(zhì)資源庫[7]。早在1964年，由俄羅斯(蘇聯(lián))科學院組建的海洋微生物保藏庫共收集有海洋微生物樣品5 000多株，英國國家微生物保藏中心收集有400多株，巴西海洋微藻保藏中心收集有300多株。依托自然資源部第三海洋研究所建設(shè)的海洋微生物菌種保藏管理中心(MCCC)成立于2004年，是我國第一個專業(yè)海洋微生物菌種保藏機構(gòu)，設(shè)有冷凍真空干燥菌種保藏庫、液氮凍結(jié)菌種保藏庫和超低溫冰箱凍結(jié)菌種保藏庫，目前庫藏海洋微生物3.2萬株[8]。

漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫作為農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保存體系的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，主要保存經(jīng)濟類、珍稀類、瀕危類的水產(chǎn)物種以及其他相關(guān)水生生物，保存形式包括分子、細胞、組織、活體及種群樣本等。國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫于2020年9月建成投用，包括海洋漁業(yè)生物基因資源庫、細胞資源庫、微生物資源庫、活體資源庫、群體資源庫以及種質(zhì)資源數(shù)據(jù)處理中心和大型儀器設(shè)備共享中心等“五庫二中心”。國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫是國內(nèi)第一個綜合性漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫建筑實體，也是國家規(guī)劃的海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫主庫[9]，保存方式主要是活體保存、常溫保存、低溫保存、數(shù)據(jù)保存等，保存設(shè)施涉及活體養(yǎng)殖系統(tǒng)、標本密集架、低溫冰箱(-40～-20 ℃、超低溫冰箱(-80 ℃)、-80 ℃自動化樣本存儲系統(tǒng)、超低溫液氮存儲(-196 ℃)、數(shù)據(jù)處理存儲服務(wù)器和檔案室等，從功能上分區(qū)主要包括庫區(qū)、實驗區(qū)和輔助用房。

3 設(shè)計原則與要求

海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫的設(shè)計以“安全可靠、適度超前、綠色環(huán)?！睘樵瓌t。

3.1 安全可靠

海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源是自然界經(jīng)過長期積累而成的，是國家的寶貴財富，作為種質(zhì)資源庫，保障種質(zhì)資源的安全可靠是重中之重。作為具有重要保藏性的建筑，安全性上需要從抗震、防水、避水、防火、防曬等方面統(tǒng)籌考慮?？拐鸱矫?，應(yīng)按照或高于國家標準《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》(GB 50223)確定建筑的抗震設(shè)防類別及其抗震設(shè)防標準。國家級海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫綜合考慮了各種因素，設(shè)為標準設(shè)防類(丙類)，該庫建設(shè)于青島市市南區(qū)，抗震設(shè)防烈度為7度(設(shè)計基本地震加速度值為0.10 g)。防水方面，主要從地下室防水、屋面防水和實驗室、庫區(qū)防水等3個方面重點考慮，保障設(shè)備設(shè)施免受雨水、地下水和上層漏水侵襲。國家級海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫內(nèi)部設(shè)置有海水養(yǎng)殖設(shè)施以及一些使用海水實驗的房間，這些區(qū)域均設(shè)置有1.5 mm厚聚氨酯防水涂膜。避水主要是指數(shù)據(jù)處理中心、配電室等重要性房間在設(shè)計時要避免有水管道穿過(包括空調(diào)水)，避免上層房間設(shè)置用水點。防火方面主要按照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016)進行設(shè)計，消防設(shè)備設(shè)施用電均采用雙路供電，近幾年消防標準要求越來越高，尤其注意要以最新的規(guī)范作為設(shè)計依據(jù)。

種質(zhì)資源庫的核心工作就是保證種質(zhì)資源保存的可靠性。種質(zhì)資源庫內(nèi)設(shè)置有專業(yè)的養(yǎng)殖設(shè)施、大量的低溫設(shè)備及數(shù)據(jù)處理和計算機存儲設(shè)備，穩(wěn)定的循環(huán)水處理系統(tǒng)、冷凍保藏系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是前提和保障，應(yīng)將冷庫、冰箱、樣本存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理機房用電定義為一級負荷[10]，建立不停電系統(tǒng)。

3.2 適度超前

種質(zhì)資源庫是一座現(xiàn)代化的設(shè)施，它要實現(xiàn)的是后續(xù)很長時間的種質(zhì)保存，在設(shè)計時要充分考慮保藏設(shè)備的富余容量和配套設(shè)施設(shè)備的先進性，要從未來的角度把控項目屬性。另外，種質(zhì)資源庫作為重大項目從項目謀劃到批復，從設(shè)計、施工再到投用要經(jīng)歷很長一段時間，這就要求資源庫的設(shè)計既要兼顧設(shè)計時期的歷史背景和經(jīng)濟條件，又要兼顧中遠期目標情況，做到適度超前。國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫項目由唐啟升院士最早提出，從概念形成到落成竣工歷時20余年，沒有前瞻性的思維和高起點的謀劃是無法完成這一標志性設(shè)施平臺建設(shè)的。國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫基于基因、細胞、活體、群體、微生物等方面的研究進展，合理超前提出項目建設(shè)中長期目標(10年)——種質(zhì)資源庫保藏量34萬份。

3.3 綠色環(huán)保

國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫在設(shè)計時首先考慮活體庫采用循環(huán)水養(yǎng)殖方式，以節(jié)約水資源；為避免供氣泵的噪聲可能對周邊居民或辦公環(huán)境的影響，將供氣泵設(shè)置在地下一層靠近出口的位置，既解決了噪聲問題，同時也保證了供氣的潔凈度；樓頂設(shè)置太陽能系統(tǒng)為活體庫養(yǎng)殖用水輔助供熱。在此建議，活體庫獨立建設(shè)、獨立管理，因其特殊的水環(huán)境與其他保存環(huán)境有著明顯的不同，且有可能對其他保存環(huán)境造成不利影響。在庫的每層設(shè)置廢物暫存間，提供廢物分類存放容器，加強危廢的處置管理。在樓頂設(shè)置廢氣處理裝置，保證實驗室廢氣排放符合環(huán)保要求。設(shè)計“污廢”分流系統(tǒng)，從根源上解決實驗廢水與普通污水混排的風險，實驗廢水經(jīng)處理后達標排放，避免環(huán)保風險。

4 主要技術(shù)指標和要求

4.1 活體庫

活體庫的主要功能是對海水魚類、蝦類、貝類、棘皮類等進行活體養(yǎng)殖?；铙w庫設(shè)置于地上一層，分為4個子庫，總養(yǎng)殖水體160 m3，活荷載標準值取值20 kN/m2，每個子庫設(shè)置8～16 m3緩沖調(diào)溫水池，地面預(yù)留排水接口，供養(yǎng)殖系統(tǒng)接入。養(yǎng)殖海水外購并暫存于地下二層的海水儲存池，海水池一用一備(儲水量80 m3/口)。室外設(shè)有海水灌水接口，灌水接口大小為DN150，設(shè)置一用一備恒壓供水泵和海水循環(huán)處理設(shè)備(處理量25 m3/h)，供水主管為DN100。海水排水主管為DN150，排水匯入海水廢水暫存池內(nèi)，經(jīng)廢水處理裝置處理，達標后外運排放。

4.2 低溫冷庫

冷庫設(shè)計需考慮荷載、管道布設(shè)、室外機位置等因素，國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫內(nèi)設(shè)計有-20 ℃和4 ℃冷庫。-20 ℃冷庫設(shè)置于一樓，用于存儲待處理標本和需要冷凍處理的樣品，室外機一用一備，就近設(shè)置于室外地面，冷凝水管道內(nèi)設(shè)置電伴熱，冷凝水并入空調(diào)機房冷凝水地漏。4 ℃冷庫共有3個，1個位于4樓基因庫，2個位于5樓微生物庫，室外機均設(shè)置于樓頂，冷媒管敷設(shè)于土建冷媒管井內(nèi)，冷凝水并入空調(diào)機房冷凝水地漏。冷庫結(jié)合內(nèi)部存放物品的情況，樓板承重取值活荷載標準值8 kN/m2，同時設(shè)計中應(yīng)考慮室外機位置的結(jié)構(gòu)荷載取值。-20 ℃冷庫庫板采用高壓發(fā)泡B1級別的聚氨酯庫板，厚度為150 mm；中間保溫材料為高壓發(fā)泡聚氨酯，內(nèi)面為厚0.6 mm的304不銹鋼板；聚氨酯的密度為40 kg/m3，導熱系數(shù)為0.024 W/(m·K)，壓縮強度為160 kPa。4 ℃冷庫庫板的厚度為100 mm，其他同-20 ℃冷庫。

4.3 設(shè)備保藏庫

設(shè)備保藏庫是指通過設(shè)備進行活樣品保藏的庫(室)，主要包含冰箱(-40 ℃、-80 ℃)、液氮罐(-196 ℃)、培養(yǎng)箱、密集架等，設(shè)計時應(yīng)考慮此類設(shè)備的荷載取值和設(shè)備發(fā)熱量。國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫冰箱保藏庫和液氮罐保藏庫的荷載取值為8 kN/m2。保藏設(shè)備用電插座采用雙路供電；設(shè)備集中放置區(qū)，尤其是放置冰箱、培養(yǎng)箱等發(fā)熱量大的設(shè)備區(qū)，應(yīng)在計算空調(diào)冷負荷時，將設(shè)備散熱量作為重點并做統(tǒng)計計算供設(shè)計考慮。如自然資源部第三海洋研究所建設(shè)的海洋微生物菌種保藏管理中心就是將4 ℃冷庫改造為超低溫冰箱、冰柜的設(shè)備保藏區(qū)，有效降低了設(shè)備發(fā)熱，確保了設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。為保證設(shè)備用電安全，設(shè)備集中放置區(qū)應(yīng)盡量不采用水冷式空調(diào)。檔案密集架區(qū)荷載取值12 kN/m2，標本密集架荷載取值20 kN/m2。庫內(nèi)電梯、運輸通道、房間門高度和寬度的設(shè)計應(yīng)重點以大型設(shè)備或物料外形尺寸作為參數(shù)，如冷庫庫板、冷庫主機、大型液氮罐等，在設(shè)計方案時應(yīng)咨詢廠家或參考已有設(shè)備的情況進行特殊設(shè)計；定制設(shè)備應(yīng)參考建筑內(nèi)部通道和門的尺寸進行定制設(shè)計。尤其在圖紙審核時，要注意建筑圖紙一般標注的是土建門洞尺寸，而非建筑安裝門后的凈尺寸，因此要注意審查校對。

4.4 潔凈實驗室

國家微生物資源平臺編制了《微生物菌種資源收集整理、保藏技術(shù)規(guī)程匯編》，深圳華大基因研究院作為起草單位編制了地方性標準《微生物資源庫建設(shè)與管理規(guī)范》(SZDB/Z 243—2017)。微生物庫要完成微生物的保藏，首先要完成微生物的培養(yǎng)和保存，潔凈實驗室是完成上述工作的基礎(chǔ)。微生物庫細胞培養(yǎng)室和無菌室按照生物安全二級實驗室(BSL-2)[11]設(shè)計，空氣潔凈度等級按照7級(萬級)[12]設(shè)計。實驗室均采用直膨式空調(diào)機組，恒溫恒濕控制，壓力差控制，其平面布置見圖1。實驗室入口處設(shè)置緩沖間和風淋室，緩沖間采用+15 Pa，風淋室為預(yù)留成品風淋室安裝空間，潔凈區(qū)走廊+25 Pa，細胞培養(yǎng)室和無菌室均為+35 Pa。潔凈室走廊盡端設(shè)置安全門，從內(nèi)部可安全推開，外部上鎖。各功能區(qū)按照工藝流程設(shè)置傳遞窗，傳遞窗為電氣互鎖，窗內(nèi)設(shè)置紫外消毒。

5 設(shè)計和建設(shè)遇到的問題

5.1 空間布局的討論

國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫內(nèi)部空間布局設(shè)計時面臨兩種選擇。一種是從資源庫總體功能和工藝流程進行布局設(shè)計，即以接樣——檢測——入庫保藏——鑒定——出庫等一系列工藝流程為主線設(shè)計。這種設(shè)計的優(yōu)點是可以整合相同功能房間，更加有利于人員的集中管理，工作任務(wù)的流線清晰；缺點是樣品的前置分類與工作業(yè)務(wù)交叉，不同層級的樣品交于一處進行處理和分配，對于整合現(xiàn)有樣品存在一定困難。另一種是功能區(qū)塊設(shè)計，即活體庫、群體庫、細胞庫、基因庫、微生物庫以及儀器設(shè)備共享中心和數(shù)據(jù)處理中心等“五庫二中心”的總體布局。結(jié)合黃海水產(chǎn)研究所內(nèi)部機構(gòu)設(shè)置，為便于整合專業(yè)力量，形成資源庫各子庫的專業(yè)優(yōu)勢，最終在空間布局上選擇了后者，并在后者總體布局的基礎(chǔ)上，在每個功能區(qū)塊內(nèi)部按照工藝流線設(shè)計房間布局。這種布局的優(yōu)點是“五庫二中心”既獨立工作又向總庫負責，可以充分調(diào)動子庫的工作積極性，能夠快速形成庫存量。

5.2 中央空調(diào)的選型設(shè)計

國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫的空調(diào)設(shè)計總體上是磁懸浮螺桿式空調(diào)機組+VRV空調(diào)。對于實驗室和輔助用房統(tǒng)一由磁懸浮螺桿式空調(diào)機組高效供冷，機組選型單機制冷量879 kW，制冷能效比(EER=制冷量/制冷消耗功率)6.08。該機組的優(yōu)點是能效比高，節(jié)能效果好，占用空間小，缺點是試運行階段庫內(nèi)房間非滿負荷運轉(zhuǎn)時，開啟機組的耗能大，短期內(nèi)經(jīng)濟性差。對于有特殊要求需要單獨制冷的房間，如上述提到的放置冰箱、培養(yǎng)箱等發(fā)熱量大的設(shè)備區(qū)統(tǒng)籌房間內(nèi)的設(shè)備布局規(guī)劃，給出各庫需求指標(溫度、濕度)，由VRV空調(diào)供冷，保證設(shè)備區(qū)環(huán)境指標。上述兩種供冷方式結(jié)合布置，總體上以較高的能效比實現(xiàn)了供冷經(jīng)濟高效，也解決了局部區(qū)域冷量需求大的問題?？傮w上，建議在常規(guī)實驗室采用集中供冷供熱模式，而特殊實驗室和保藏庫采用區(qū)塊化或單獨設(shè)置空調(diào)調(diào)控溫度，必要時調(diào)控濕度。

5.3 液氮罐的設(shè)置

在對項目進行可行性論證過程中，對資源庫內(nèi)液氮保存設(shè)施的設(shè)計進行過反復討論和論證，一是建立液氮塔，集中儲存液氮，采用管路給房間內(nèi)的樣品保藏液氮罐輸送液氮[13]。此方式需要有大量集中設(shè)置的液氮罐，并有穩(wěn)定的液氮需求，且液氮的消耗量、揮發(fā)量相對較大。二是采用一儲存一補給的氣相液氮儲存系統(tǒng)。此方式能夠分散使用液氮罐，避免大系統(tǒng)供應(yīng)使用效率不高造成的資源浪費。通過采購費用和運行費用的對比分析，本項目最終選擇了后者。

6 結(jié)語

綜上所述，海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫不是一座普通的科研公共建筑，而是涉及多學科、多領(lǐng)域，包含多種工藝流程的科研綜合體。在此提出幾點建議，以供漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫建設(shè)時參考。一是要明確建設(shè)目標，明確資源庫建設(shè)的中長期目標，從保存多少份樣本考慮建設(shè)多大規(guī)模。二是漁業(yè)種質(zhì)資源庫的保存對象不同于植物(作物)種質(zhì)資源庫[14-15]，要充分考慮多層級的保存對象以及復雜的保存環(huán)境，為庫內(nèi)各功能分區(qū)提供設(shè)計條件。三是要從工藝流程出發(fā)，明確整個資源庫的工藝流程，這也是國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫項目立項時多次論證的內(nèi)容，為了更好地形成種質(zhì)資源庫的功能架構(gòu)。四是要從抗震、防水、防火、防雷等多方面綜合考慮，必要時提高保障級別，電能供應(yīng)要有多路保障，以確保設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。