實驗動物中心的用水管理(上)

水資源與實驗動物中心的營運
台灣地狹人稠,地形陡峻,水資源不易蓄存利用,降雨受到季風與地理影響,分布時間與空間不平均,每人每年的可分配水量,不到世界平均值1/5 [1],如何有效調節運用是一大課題,同時,近年來隨著全球氣候變遷,導致降雨型態的改變,全球水災與旱災時有所聞,極端天氣發生頻率增加。當2021年COVID-19疫情逐步升溫,當時台灣除了面對疫情嚴峻,制定防疫與應變措施,同時遭逢旱災缺水危機,苗栗、台中部分地區於4月6日起進入「供5停2」限水措施,本院所處頭份地區的供水來源為永和山水庫,其蓄水量由8.04%(4月6日)降至僅餘2.08%(5月24日)[2]。由於本院實驗動物中心(以下簡稱本中心)每週例行工作耗水量估算達272噸,需要節約用水措施與緊急取得水源的因應措施,也須要留意突來大雨導致的水質濁度,以避免淨水設備故障、大型機具(高溫高壓滅菌鍋、隧道式清洗機)設備損傷以及實驗動物的健康。面對此般危急狀態,曾嘗試洽詢供水業者尋求替代水源(地下水),當時一般地下水的報價為每公噸1千元,而符合飲用水水質標準的水源報價則高達2千元以上,這些特殊水源該如何銜接至本中心現有供水系統,也形成另一個層面的嚴峻挑戰。當時雖然梅雨鋒面及時到來而解除旱象,不過卻造成許多設備的損傷。歷經這次考驗,本中心再次檢視既有的災難應變措施,一方面補足未盡完善的標準作業程序,一方面也思考如何節約用水以及訂定策略逐步更新或改善硬體設施。

盤點各種水資源的使用
本中心日常營運用水,包括自來水(冷水)、熱水、軟水、逆滲透水(RO)等類型,主要運用於清洗籠具(自來水、熱水)、設備用水(自來水、軟水)、動物飲水(軟水、RO水)、清掃用水(自來水)、洗衣(自來水)、實驗動物洗澡(自來水)等用途(表1)。運用水質軟化設備(通常是粗過濾加上離子交換樹脂)將自然水中的鈣、鎂離子移除即得到軟水,此種軟水是由本院位於地下室的軟水機房產製提供。水質硬度係指水中二價金屬陽離子(鈣、鎂離子等)濃度,通常換算為碳酸鈣(CaCO3)等效含量(濃度)來表示。水質硬度因地而異,可反映出與其接觸的地質特性,一般將水的硬度分為4類:軟水0~60毫克CaCO3/公升、中等硬水60~120毫克CaCO3/公升、硬水120~180毫克CaCO3/公升、極硬水 >180毫克CaCO3/公升[3,4]。本院竹南院區自來水即屬於中等硬水,如果煮沸將會產生鍋垢,長時間使用將導致設備管路阻塞,熱交換器效能下降,甚至鍋爐爆炸。若將自來水導入逆滲透淨水系統(通常為粗過濾、細過濾、逆滲透膜、紫外線殺菌)則能移除絕大多數的分子、陰陽離子,使水質的電導度降至極低,當水源的濁度過高時,輕者可能導致濾材耗損,重者造成整個淨水系統損壞。

表1:本中心主要用水種類與每週使用量

精進用水管理
1.水質檢驗能力整合計畫
為提升實驗動物及退疫實驗犬飼養照顧品質,本中心實驗室決定擴增工作量能,規劃建立水質檢驗能力,包含細菌、硬度、溶解性總固體值(total dissolved solids, TSD)及水中餘氯檢測。

1.1 細菌檢測:
依分析化學家協會(Association of Official Analytical Chemists, AOAC)檢驗方法,本中心使用市售快速檢測試片檢測水中總生菌數(total plate count)及大腸菌群(coliform),目標是以提升實驗動物及退疫實驗犬飼養照顧品質。退疫實驗犬曾經發生腸胃道不適以及軟便的病況,經追查發現原飲用軟水水質發生變異,與軟水之生菌異常有關。目前已經運用水中總生菌數檢測方法,針對經過不同濾芯過濾後之水樣的總生菌數進行定期檢測(如圖1)。

圖1:水經過不同濾芯過濾後之總生菌數結果。快速檢測試片內含呈色劑,菌落會被染色,計算其數目即為總生菌數。依環保署飲用水水質標準,總生菌數最大限值100 CFU/mL

1.2 總硬度檢測:
本中心所屬實驗室可根據環保署公告的乙烯二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA)滴定法進行檢測[5]。此項檢測之目的在於確保大型設備(例如:隧道清洗機、高溫高壓滅菌鍋爐)的供水品質,並期待能延長設備使用年限。在水樣中加入少量指示劑(例如:Calmagit)後呈酒紅色,接著以固定濃度的EDTA溶液滴定,當樣品中所有的鈣和鎂都被螯合時,溶液會由酒紅色轉為藍色即為滴定終點(如圖2),藉此計算此水樣的總硬度,並以CaCO3的當量濃度呈現。

圖2:進行水樣總硬度檢測的顏色變化由酒紅色轉變為藍色(滴定終點)

1.3 總溶解性總固體(Total Dissolved Solids, TDS)檢測:
溶解性總固體包含鈣、鎂、鉀、鈉等無機鹽及少量溶於水的有機物。TDS值在測量儀器上的數值越大,表示水中的雜質含量越多,濁度也愈高;相對的,TDS值越小,表示雜質含量越低,水的純度就越高。對飲用水而言,TDS值是一種影響適飲性的依據,但並不能直接反映水質的好壞。TDS值代表的是水中的雜質含量,檢測出的數據不僅是有害汙染物,也包含了無害物質,故無法代表水質對實驗動物(或人體)有無危害,須配合其它檢測才能判斷水質是否會影響健康。

1.4 水中餘氯檢測:
本中心依環保署公告方法進行改良,在樣品中加入N,N-二乙基-對-苯二胺(N,N-diethy1-p-phenylenediamine, DPD)呈色劑(顏色變化如圖3),並根據其在515 nm的吸光值計算水樣的自由有效餘氯濃度。本中心於2021年11月開始進行水質檢測至今,軟水的總生菌數皆超出環保署飲用水質標準。綜合水中細菌檢測與水中餘氯檢測結果,推測軟水中總生菌數超過標準的原因,很可能是自由有效餘氯被移除導致。

圖3:水樣中自由有效餘氯可將DPD氧化而使溶液轉變為紅色

參考資料

  1. 經濟部水利署,氣候變遷讓臺灣水資源挑戰如同撒哈拉 重視缺水風險是提前應變第一要務(2020), https://www.wra.gov.tw/News_Content.aspx?n=6430&s=83290
  2. 經濟部水利署,台灣地區主要水庫蓄水量報告表(2021),https://fhy.wra.gov.tw/ReservoirPage_2011/StorageCapacity.aspx
  3. World Health Organization,  Hardness in Drinking-water(PDF), (2011), https://web.archive.org/web/20211105211547/https://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/chemicals/hardness.pdf
  4. 台灣自來水公司,水質參數介紹(2022), https://www.water.gov.tw/dist12/Contents?nodeId=7568
  5. 行政院環境保護署,水中總硬度檢測方法-EDTA滴定法(NIEA W208.51A) (2022),https://www.epa.gov.tw/niea/B8E6B5FFC803790B

 

文/圖:實驗動物中心謝家銘、曾國權、簡旭哲獸醫師、張淑美、吳佳樺、何欣茹、陳仁焜主任

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