种质资源库建筑设计要点

种质资源库建筑设计要点

丁一亭

中国轻工业成都设计工程有限公司，四川成都 610000

【摘要】随着我国种质资源保护与利用的成效不断发展，逐步暴露出各地种质资源保存设施不完善、保存量不足等问题。在此背景下，全国各地区均开展了规模不等的种质库建设。但种质库的设计不仅涉及到建筑学专业知识，更重要的是需要具备相应的种质资源保存知识，此类知识一般建筑设计人员难以具备。与此同时，我国目前还尚未有种质资源库的国家建设规范及标准，而地方省市则相对缺乏建设经验，以上两点进一步加大了种质资源库的设计难度。本文主要从已完成的设计项目出发，进行了种质资源库设计的初步探索。

【关键词】植物种质低温库设计要点；试管苗库设计要点；动物种质超低温库设计要点

1、工程概况

四川省种质资源中心库建设项目位于成都市辖邛崃市国家现代农业产业园内，建设用地约10.3亩。总建筑面积7122.51平米。项目分为科普展示区、作物种质区、畜牧水产区三个分区。保存目标种类包括植物种质资源、食用菌种质资源、水产种质资源、畜禽种质资源等。建成后为中期库为主、长期库为辅的四川省种质资源中心库，是国家种质资源库的重要组成部分。

整个项目在空间上分为科普展览区、作物种质区、畜牧水产区三个部分；在流线上分为种质资源存储流线、办公实验流线、科普展览流线三个动向。其中办公实验流线、科普展览流线属于附属流线，依附于最主要的种质资源存储流线进行。附属流线设计难度较低，广大设计师熟悉度较高，现暂不做重点讨论。本文试着从建筑设计的角度，结合种质资源存储流线和建筑设计师较难接触到的知识盲区等两个方面进行推导，分析出种质资源库设计的要点。

2、种质资源库建筑设计要点

2.1植物种质资源库

植物种质资源的保存方式分为两种，原生境保存和非原生境保存。非原生境保存时，可采取植物园、种质圃、低温种质库、试管苗库、超低温库等方式。本文结合项目实际，对本项目中主要涉及到的低温种质库、试管苗库两种方式进行讨论。

2.1.1植物种质低温库设计要点

低温种质库是以正常性种子为保护载体，是作物及其野生近缘植物种质资源的保存设施，低温种质库包括长期库、中期库、复份库等几种类型，这几种类型在保存年限及职责定位上有所区别，但其保存流程基本一致。一般包含以下几个步骤：种子接纳登记、种子清选、健康与活力检测、鉴定评价、整理编目、种子干燥、含水量测定、包装称重、入库保存、供种分发。具体如下图：

根据流程要求，在建筑设计中应特别注意的点为以下几项：

（1）接纳登记是指种质库获得种质材料时，根据种质材料的信息资料及种子袋上的编号进行核对，并对其进行质量的初步检查和基本信息的登记过程。对符合入库要求的种子，给提供者开具种质资源接纳收据，注明作物种类、接收份数、接收日期等。因此，接纳登记室应注意远离库区办公及形象、参观出入口、靠近货运出入口，并有适当的面积可供种质材料放置。同时，接纳登记室内的地面、墙面等装饰材料应易于清洁、具有一定的耐磨性，避免在种质材料装卸过程中产生难以去除的污损，降低使用寿命、增加维护成本。种质材料的装卸运输多采用推车的形式，因此接纳登记室附近的货运出入口应采用坡道，或者采用坡道与台阶结合的形式，以免影响推车的进出。

（2）在接纳登记后，无法立刻入库的种质材料需要在暂存库中暂存。因此，暂存库需要靠近接纳登记处。暂存库一般来说同样设置为低温库，其存储条件及种子放置方法与低温种质库类同。由于各地接纳材料的数量及时间以及工作方式的不同，暂存库的面积需求不尽相同。因此，暂存库的面积应该与工作人员充分沟通后确定。本项目中，经讨论后，确定暂存库面积约为100平米，可暂存份数约为35万份。

（3）种子清选是剔除破碎种子、空粒、瘪粒、霉粒、受病虫侵害粒及其他混杂种子，以及灰尘等其他物质。对需清选的种子将根据种子质量状况，采用机器清选或人工清选。若是获得的种质材料已经经过清选，可以略过清选环节。在本项目中了解到，我国各地所获得的种质材料品质不一，清选工作难易有别。因此，在设计过程中，不可盲目照搬已有项目经验数据，应充分与当地种质科研工作人员沟通，掌握当地对种质材料的清选方式、清选难度等，方能确定种子清选区域的必要面积。

（4）种子的健康与活力检测为种子发芽率、发芽势、发芽指数的测定。设计时应特别注意的是，此类检测不仅在种质材料入库前进行，在长期库与中期库的储存过程中，必须按照规定的监测期，定期对种子的健康与活力进行检测。因此，种子检测室、发芽室等用房，不仅需要靠近种子清选区，同时也需要靠近低温种质库的出入口，避免检测流程的曲折迂回。

（5）新接收的种子需抽样检测初始含水量，当种子的初始含水量超过13%时，需进行干燥。目前我国的种质库一般采用双十五干燥间或干燥柜对种子进行干燥，所谓双十五指的是温度为15℃、相对湿度为15%RH。设计时应注意对双十五干燥间与双十五干燥柜进行区分。双十五干燥间是指通过干燥机组对整个房间的温度与湿度进行控制，使其达到温湿度要求。而双十五干燥柜是指仅在柜体内部达到温湿度要求。在实际使用过程中，当种子离开干燥柜后，空气的温湿度将影响种子干燥效果。因此，双十五干燥间的干燥效果较好但同时造价也较高，在设计时应根据项目实际进行选择。

（6）当种子干燥到预定时间时，将干燥间内的种子，按作物抽测1～2份种子的含水量。若含水量达到贮藏要求时，将种子取出进行包装，否则继续进行干燥。种子含水量的检测在水分检测室中进行，水分检测室要求相对空气湿度低于70%。水分检测室的布置应靠近种子干燥流程。

（7）经干燥处理、检测合格后的种子将及时用锡箔袋真空包装密封。在进行建筑设计时，无论是采用干燥间还是干燥柜，包装间都必须与其紧密联系，以保证干燥效果。有条件时，应同时对包装间内的温度湿度进行控制，在本项目设计中，将双十五干燥间与包装间进行合并，由同套机组对整个环境进行温湿度控制，保证了入库种子含水量的稳定性。

（8）入库保存是指种质材料在包装完毕后进入低温库内进行保存的过程。

低温库一般应在出入口位置设置缓冲间，以防止库内外的温度交换和湿度传导。缓冲间内的温度一般在0℃~15℃之间。长期库库内温度一般为-18℃左右，中期库一般为-4℃左右。

传统的低温库是采用土建隔热的形式，即利用建筑本身的墙体增加相应的隔热措施对内部环境进行隔热。典型代表有建成于1986年的国家长期种质库。此类隔热方式受到建筑本身构造的限制，易产生冷热桥等，且由于隔热层无法完全隔绝水汽等原因，使用年限相对较短，随着时间的推移隔热效果会明显下降。

目前我国建造低温库的方式主要是在土建结构内部建立“房中房”进行隔热。除了其建筑本身依据现有规范要求设置保温隔热层外，在低温库建筑内部用双面彩钢板内夹聚氨酯保温复合板搭建六面体库体，形成“房中房”的形式。

采用聚氨酯保温夹层优势明显。一是硬质聚氨酯导热系数低，热工性能好。当硬质聚氨酯密度为35～40kg/m³时，导热系数仅为0.018~0.024W/（m·K），约相当于EPS的一半，是所有保温材料中导热系数最低的。二是硬质聚氨酯具有防潮、防水性能。硬质聚氨酯的闭孔率在90%以上，属于憎水性材料，不会因吸潮增大导热系数。三是硬质聚氨酯防火，阻燃，耐高温。聚氨酯在添加阻燃剂后，是一种难燃的自熄性材料，它的软化点可达到250摄氏度以上，仅在较高温度时才会出现分解：另外，聚氨酯在燃烧时会在其泡沫表面形成积碳，这层积碳有助隔离下面的泡沫。能有效地防止火焰蔓延。而且，聚氨酯在高温下也不产生有害气体。

与传统方式相比，此种新型方式具有隔热性能更优、冷热桥更少、使用寿命更长的优势。复合板库体墙板在竖向上需要由钢梁支撑和固定，在地面上需要安装固定槽防止墙板跑位。因此，设计时应注意在土建结构上根据承重要求设置好预埋件连接钢梁和固定槽。复合板库体的地面一般需要在墙板的基础上进行加强，增加其承重性能。较常用的做法是预埋钢梁，钢梁不仅可增加地面板材的承重性能，同时还可以安装密集货架的轨道，设计时应注意对钢梁预埋件进行准确的定位。此外地面复合板表面还需要增设防滑铝板等措施，防止地面打滑和变形。

需要特别注意的是，复合库板与土建墙体、天花板之间都存在空气层，可进一步加强隔热性能。但是地面复合库板由于需要传导重力，所以是紧贴土建地面安装的，没有空气隔离层。为了防止冷量直接传导到地面素土层，一般需要将土建地面架空，使地面成为钢筋混凝土楼面。在楼面与土层之间留出空气间层，利用下层的空气带走传导的冷量，防止把地面素土层冻胀。本项目结合当地洪水位、降雨量等实际情况，将库体地面架空至二层及以上，在实现了架空隔热的同时，保证了库体不遭受洪涝、暴雨等威胁。另外还将架空层转变为建筑的一层，充分利用空间。

（9）供种分发是指单位或个人通过网站查询种质供种分发目录，提出利用申请。种质库管理部门在收到申请后，向利用者提供种质的过程。一般供种分发室应设置柜台式窗口，并靠近种质库出口。

2.1.2 试管苗库设计要点

试管苗库是以试管苗培养物为保存载体，是无性繁殖作物种质资源的保存设施。试管苗保存库设计应符合《实验室生物安全通用要求》 GB19489-2008的规定。试管苗库一般包括：保存室、组培室、缓冲间、制备室、无菌操作室、洗涤室、灭菌室、风淋更衣室以及其他配套用房等。具体流程如下图：

试管苗库的设计应注意以下几点：

（1）灭菌室、洗涤室主要用于各种器具以及培养基的灭菌和洗涤。制备室主要为制备试剂及培养基的用房。制备室要求的温湿度为：冬天18~20℃，夏天25~28℃，相对湿度＜75%；这类房间要求通风、采光充足，内部装饰材质易于清洁。

（2）试管苗库进入无菌操作室前，应设置风淋、更衣、缓冲空间。根据试管苗库对无菌、洁净的要求，设置风淋、更衣室有助于对科研人员的洁净流程进行有效管理。风淋、更衣室具有风淋、换鞋、更衣、盥洗等功能。缓冲间主要对物料进行缓冲，起到隔离洁污空间的作用。

（3）无菌操作室为茎尖剥离或继代繁殖的接种室。无菌操作室要求的温湿度为：冬天18~20℃，夏天25~28℃，相对湿度＜65%。无菌操作室有严格的无菌要求，保证接种时处于无菌状态。无菌空间主要通过洁净空调系统安装初、中、高效三级过滤来实现洁净要求，室内安装紫外灭菌灯杀菌。室内装饰材料应考虑洁净要求。

（4）保存室和组培室是试管苗库的核心。

保存室即试管苗库的种质保存处，其室内环境条件应在保证种质试管苗成活的前提下尽量维持其最低生长速度。因此，保存室内有严格的温度、湿度、光照要求。热带作物的温度要求在15~22℃之间；温带作物温度要求在5~15℃之间；相对湿度在45%~65%之间；光照为1000lx~1200lx之间，每天8个小时。

组培室主要用于试管苗的诱导、繁殖、更新或临时保存，主要是用于试管苗的快速繁殖。因此，组培室的温度、湿度、光照条件要根据试管苗快速生长的要求来设置。热带作物的温度要求在25~30℃之间；温带作物温度要求在20~25℃之间；相对湿度在65%之内；光照根据不同的植物种类进行调节。

与无菌操作室相同的是，这两类房间同样采用洁净空调和紫外灭菌灯来对空气整体环境进行控制。光照主要通过培养架上配置的专用照明灯具来提供。由于保存室和组培室均通过专用的玻璃瓶放置试管苗，配合培养架上的灯光，具有较好的观赏效果，因此本项目将部分试管苗库设置在科普展示区中，设置玻璃隔断。参观者可透过玻璃隔断观赏试管苗内部全貌，增加了整个项目的观赏性。

2.2动物种质资源库

在动物种质资源库中，工作人员将具有一定的遗传基因或能繁殖的动物样本和基因信息，包括核酸样本、细胞、组织等遗传材料及相关信息进行规范化和系统化的采集、处理和贮存，为动物多样性保护、濒危动物的繁殖与动物资源合理开发利用等动物科学研究提供动物资源。

本项目动物种质资源库储存的种质材料主要包括精液、体细胞、耳组织及基因组DNA样以及肠道菌群等。储存容器为-20℃低温冰箱、-80℃超低温冰箱和-196℃液氮罐三种，属于的异地生物技术保种中的冷冻保种方式。三种容器储存的材料与期限不同。-20℃低温冰箱主要用于临时存放或是用于进行基因材料进入超低温之前的前期处理等。-80℃超低温冰箱主要用于储存基因组DNA样，存放期限一般不超过5年。-196℃是常规方法所能实现的最低温度，样本内的生化反应可以认为停止，水的结晶对细胞和微观组织的伤害可以忽略。因此-196℃液氮罐可长期保持组织中生物大分子稳定性、细胞活性及组织微观结构。

动物种质资源的存储处理过程较为复杂,对精液、体细胞、组织以及基因组DNA样等不同种质材料，其处理的方式是不同的。但是基本遵循相同的流程原则，见下图：

其中，以冻精的处理流程最为复杂，其从采精到存储的流程大致如下：

2.2.1动物种质超低温库设计要点

（1）动物种质接样室功能与前文所述接纳登记室类似，主要要求为靠近接样出入口。

（2）为了加强种质资源库的生物安全管理，在接样后，应设置病原检测室及时对来样进行病原检测。病原检测室应靠近接样室设置，其面积大小应根据种质库的存储规模，以及分批来样的材料多少进行控制。室内装饰材料应易于清洁，不留卫生死角。

（3）在病原检测结束后，动物种质材料需经过“处理前检测”、“前处理”、“处理后检测”等一系列流程方可进入最终的冷冻保存环节。有条件时，此系列流程可设置在同一空间内进行，保证流程的顺畅性。

对冻精而言，可设置足够面积的冻精制备室。在冻精制备室中，将完成从“检测精子活力”到“检测冷冻后精子活力”的一系列流程。因此，冻精制备室的面积应充分考虑，通常应联合科研人员一同研究决定。冻精制备室中可根据流程进行适当的软性分区，但由于其各流程对环境的要求没有显著差异，因此可不做硬性隔断，并且宜保持地面平整无高差。

对于基因组DNA样而言，处理基本在分子实验室中完成，种质库负责接样即可；对于体细胞、胚胎等组织则应相应配备细胞准备间、胚胎准备间等。

（4）完成前处理及检测过程后，即可将种质材料放入液氮罐中进行长期保存。液氮罐区为整个动物种质资源存储的中心区域。一般将各种规模大小的液氮罐成组设置在罐区房间中。在本项目中，在室外设置液氮塔，液氮塔中的液氮通过管道自动输送给各液氮罐。为避免管道输送过程中的冷量损耗，在本次设计时采用了双层真空不锈钢管作为液氮输送管道。

各液氮罐中的液氮量和温度由专门的监控系统进行控制和监察，液氮含量不足时，系统自动将其补足。工作人员可通过电脑工作站和手机程序对监控系统进行查看和操作，确保了种质资源的存储安全。监控系统的使用大大节省了超低温库的人力劳动，使得超低温库不再需要大量人力值守工作。

考虑到液氮库内存有大量液氮，若液氮泄露则会导致氧气浓度降低，人员在此情况下直接进入液氮库室内，容易造成缺氧昏迷。因此在本项目设计中，液氮超低温库室内设置了氧气浓度探测装置。一旦氧气浓度超过限值，氧气浓度探测装置将发出警报，警告工作人员不能直接进入室内，并同时联动开启通风设备，提高室内氧气浓度，保证工作人员的生命安全。

液氮库区需要特别注意土建自身的保温隔热设计，可在现行国家规范基础上将保温隔热各参数做适当上调，为液氮罐的冷量保持做好配合。

（5）低温、超低温冰箱间主要为-20℃低温冰箱、-80℃超低温冰箱的放置场所。因为冰箱自身会大量散发热量，因此此类房间对土建设计的要求主要为快速散热，以免引起设备周边温度过高。在本项目中，在保证通风面积的前提下，冰箱间内还设置了制冷空调，对整个房间内温度进行控制。

3、结语

2021年12月26日，我国农业农村部印发《关于做好农业种质资源库建设工作的通知》。《通知》指出，要科学规划、统筹布局，进一步加强和规范种质资源库建设。本文从建筑设计师的角度，结合建筑设计师知识的盲点对种质资源库设计的要点进行了初步探索分析，以期未来能够为种质资源库的建设提供参考和帮助。

参考文献

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