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文檔簡介
1、ABSL-3、ABSL-4實驗室設(shè)計建設(shè)、裝修SICOLAB(解決方案)第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,美國出于其全球戰(zhàn)略考慮,對各類致病微生物均表現(xiàn)出濃厚的研究興趣。然而在普通實驗室進行致病微生物的研究不可避免的會發(fā)生實驗室感染和泄漏事件。為了防止這類事件的發(fā)生,在20世紀(jì)的五、六十年代,美國出現(xiàn)了最早的生物安全實驗室。隨后其他國家,如前蘇聯(lián)、英國、法國、德國、日本、澳大利亞、瑞典、加拿大、西班牙、南非、加蓬、瑞士、荷蘭、丹麥、新加坡、馬來西亞等國也相繼建造了不同級別的生物安全實驗室.其中美國、英國、法國、德國、俄羅斯、日本、澳大利亞、瑞典、加拿大、南非、加蓬和臺灣等國家和地區(qū)均建有生物安全四級(Bi
2、osafety level4,BSL-4)實驗室。我國大陸生物安全實驗室建設(shè)起步較晚,20世紀(jì)末陸續(xù)建設(shè)了一些規(guī)格較低的生物安全三級(Biosafety level3,BSL3)實驗室,使得SARS暴發(fā)后竟難以找到不經(jīng)改造即可使用的合乎要求的BSL-3實驗室。SARS和高致病性禽流感的暴發(fā)使我國認(rèn)識到了生物安全實驗室在烈性傳染病防控研究方面的重要意義,2004年我國先后頒布了實驗室生物安全通用要求(GB19489-2004),生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范(GB-503462004)和國務(wù)院第424號令病原微生物實驗室生物安全管理條例,使我國生物安全實驗室的建設(shè)和管理走上了規(guī)范化和法制化軌道。最近
3、,國家又批準(zhǔn)建設(shè)“國家動物疫病防控高級別生物安全實驗室”等一批高級別生物安全實驗設(shè)施,標(biāo)志著我國生物安全實驗室的建設(shè)將進入世界先進國家行列。然而現(xiàn)階段我國對高級別生物安全實驗室(特別是BSL4實驗室)的設(shè)計建設(shè)、設(shè)備制造、運行管理、控制監(jiān)測等方面的核心技術(shù)研究非常薄弱,關(guān)系列生物安全的關(guān)鍵設(shè)備、檢測技術(shù)及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和實驗室的安全控制體系的研制、制定和建設(shè)幾乎處于空白階段,國內(nèi)尚無BSL-4實驗室的設(shè)計建設(shè)經(jīng)驗,嚴(yán)重制約了我國高級別生物安全實驗室的建設(shè)和安全管理。我國計劃建設(shè)的“國家動物疫病防控高級別生物安全實驗室”將是我國投資規(guī)模最大、技術(shù)含量和生物安全水平最高的生物安全實驗設(shè)施。為保證“國家動
4、物疫病防控高級別生物安全實驗室”項目設(shè)計建設(shè)的科學(xué)性和合理性,筆者多次考察了澳大利亞聯(lián)邦科工組織動物衛(wèi)生研究所、加拿大人類和動物健康科學(xué)中心、日本國家動物衛(wèi)生研究所、美國農(nóng)業(yè)部國家動物疫病中心和美國堪薩斯州立大學(xué)生物安全研究所等當(dāng)今世界上最為先進的包括動物生物安全三、四級(Animal biosafety level-3,4,ABSL-3,4)實驗室在內(nèi)的高級別大動物生物安全實驗設(shè)施.結(jié)合我國頒布的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),概略介紹一下ABSL-3,4實驗室設(shè)計、建設(shè)及使用方面的一些體會.1平面布局澳大利亞聯(lián)邦科工組織動物衛(wèi)生研究所于1978年開始建設(shè),1985年竣工投入使用,整個建設(shè)工期為7年,總投資額按現(xiàn)
5、在價值計算約為5億澳元,合30多億元人民幣。實驗室主體結(jié)構(gòu)為混泥土現(xiàn)澆的5層建筑,建筑面積約60000m2,其中第三層為BSL3,4實驗室的負壓區(qū),建筑面積約1000m2。ABSL3,4實驗室位于主體建筑的一側(cè),面積約2000m2,共有ABSL-3實驗室26間,ABSL-4實驗室2間,ABSL-3解剖室1間。由于實驗室眾多,解剖室只有一間,各實驗室難以與解剖室直接相連,故在設(shè)計上采取了四列實驗室并聯(lián)方式,所有實驗室的一側(cè)為準(zhǔn)潔凈走廓,供工作人員進出,實驗動物和物品搬入用;另一側(cè)為污染走廓,與解剖室相連,用于感染的實驗動物和污染物品的搬出,即所謂雙潔凈走廓,單污染走廓模式4.由于這種設(shè)計方式較好
6、地解決了實驗室與解剖室的連接和污染物的處理問題,后來建設(shè)的加拿大人類和動物健康科學(xué)中心、瑞士病毒與免疫預(yù)防研究所、日本國家動物衛(wèi)生研究所的BSE研究中心、美國農(nóng)業(yè)部國家動物疫病中心ABSL3實驗室和美國堪薩斯州立大學(xué)生物安全研究所等均采用了類似平面布局。這種平面布局也存在一些問題,如澳大利亞動物衛(wèi)生研究所和加拿大人類和動物健康科學(xué)中心均建有ABSL-4實驗室,但出于造價和使用方便上的考慮,其污染走廓和解剖室為BSL-3實驗室水平,ABSL4的感染動物和污染物不能直接利用污染走廓和解剖室,以防造成防護級別以上的污染。以上兩個設(shè)施的ABSL4實驗室感染動物解剖均在同一實驗室內(nèi)進行,解剖后的動物殘體
7、和固體污染物通過污染走廓一側(cè)墻體上的雙扉高壓滅菌器滅菌后,送到解剖室進一步處理。像這樣將污染走廓和解剖室設(shè)計成BSL3實驗室水平,雖然降低了造價,但造成ABSL4實驗室不能直接利用這部分設(shè)施,而且,在ABSL4實驗室尚有存活動物時解剖實驗動物,有悖實驗動物倫理。因此,我國在進行ABSL4和ABSL3設(shè)計時,應(yīng)該對如何設(shè)計污染走廓和解剖室的生物安全水平進行充分的討論和論證。2立體結(jié)構(gòu)2.1三層結(jié)構(gòu)方式世界上大多數(shù)國家的BSL3、4實驗室采用三層結(jié)構(gòu)方式.第一層為廢棄物處理層,主要有液體廢物收集管道、液體廢棄物處理設(shè)備和固體廢棄物處理設(shè)備。為了防止意外泄漏造成的生物安全事件,液體廢棄物處理和固體廢
8、棄物處理間壓力為-50Pa,氣流方式和氣密性與BSL-3實驗室相同。第二層為實驗室的核心即含有BSL-3、4實驗室和ABSL3、4實驗室的工作層。從普通實驗室環(huán)境進入BSL-4或?qū)嶒炇褹BSL4核心區(qū),首先要經(jīng)過一道帶有密碼鎖的門進入環(huán)形走廓,經(jīng)由兩道氣密門構(gòu)成的淋浴室后,進入正壓服更換間,更換正壓服后再經(jīng)由兩道氣密門構(gòu)成的化學(xué)淋浴室,才能進入核心區(qū)。第三層為空氣處理層,主要設(shè)備有給排氣的高效濾器單元、風(fēng)機、空調(diào)機組、化學(xué)淋浴設(shè)備等。多數(shù)國家的BSL3、4實驗室空氣處理層不要求負壓和氣密性。2。2五層式結(jié)構(gòu)澳大利亞動物衛(wèi)生研究所采用了五層結(jié)構(gòu)方式。第一層為廢棄物處理層,主要有高壓滅菌罐、流動式
9、加熱滅菌設(shè)施和焚燒爐等,此層壓力為-100Pa,氣流方式和氣密性與BSL3實驗室相同。第二層為液體廢棄物收集層,主要為液體廢棄物收集管道.此層壓力為-100Pa,氣流方式和氣密性與BSL3實驗室相同。第三層為工作層,包括支持區(qū)、BSL-3、4實驗室區(qū)和ABSL3、4實驗室區(qū)。支持區(qū)主要有清洗室、培養(yǎng)基制備室、洗衣房、食堂等.BSL3、4實驗室區(qū)包括一間正壓服式BSL-4實驗室和一間手套箱式BSL-4實驗室,其余均為BSL3實驗室。ABSL3、4實驗室區(qū)前面已經(jīng)說明,在此不再贅述。值得一提的是,要進入該設(shè)施的ABSL-4實驗室核心區(qū),需經(jīng)過八道氣密門。第四層為空氣處理層,主要設(shè)備有給排氣的高效濾
10、器單元和化學(xué)淋浴設(shè)備等。與其他國家的設(shè)施不同,該設(shè)施此層壓力為100Pa,氣流方式和氣密性與BSL3實驗室相同。第五層為設(shè)備層,主要有給排氣風(fēng)機、冷熱交換器和初中效濾器等設(shè)備.此層無生物安全防護要求。從生物安全實驗室的防護結(jié)構(gòu)來看,無疑澳大利亞動物衛(wèi)生研究所的安全性是最好的。然而,由于其結(jié)構(gòu)方式建設(shè)投資巨大,而且設(shè)計為BSL3實驗室水平的液體廢棄物收集層和空氣處理層空間巨大(分別約為30000m3和40000m3),維持其100Pa的壓力、每小時10次左右的換氣量及20左右的恒溫,需要大量的人力資源和能源,運轉(zhuǎn)維持費十分昂貴該設(shè)施的維持費每年均在2500萬澳元以上,約合人民幣1.5億元)。因此
11、,世界各國的生物安全實驗室在確保生物安全的前提下,均采用了三層結(jié)構(gòu)方式,而且其空氣處理層均無負壓和氣密性要求。3氣流組織方式和壓力梯度3.1氣流組織方式我國頒布的實驗室生物安全通用要求(GB19489-2004),生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范(GB503462004)均明確規(guī)定BSL3、4和ABSL3、4實驗室的氣流組織方式為上送下排1,2。然而,據(jù)筆者的實地考察和掌握的資料,澳大利亞動物衛(wèi)生研究所、加拿大人類和動物健康科學(xué)中心、美國CDC、美國農(nóng)業(yè)部國家動物疫病中心、美國堪薩斯州立大學(xué)生物安全研究所、美國德克薩斯大學(xué)、日本國家衛(wèi)生研究所、日本理化學(xué)研究所、日本國家動物衛(wèi)生研究所、瑞士病毒與免疫
12、預(yù)防研究所的BSL3、4和/或ABSL3、4實驗室的氣流組織方式均為上送上排。筆者舉出上述例子并不是要否定上送下排氣流組織方式,只是依據(jù)上述實驗室長時間應(yīng)用實踐證明上送上排氣流組織方式的可行性。如澳大利亞衛(wèi)生研究所1985年建成后,開展了或正在開展?jié)h德拉病毒、尼帕病毒和SARS病毒等人畜共患高致病性病原體的研究;加拿大人類和動物健康科學(xué)中心1999年開始使用以來,開展了或正在開展埃博拉病毒、SARS病毒、高致病性禽流感病毒、口蹄疫病毒等高致病性病原體的研究;美國CDC更是有著長期從事埃博拉病毒、天花病毒、馬爾堡病毒、SARS病毒、高致病性禽流感病毒等多種高致病性病原體的研究經(jīng)驗,這些實驗室均未
13、因上送上排氣流組織方式所造成的氣流死角或渦流而導(dǎo)致實驗室的生物安全事件。上述實驗室的使用經(jīng)驗說明,上送上排也是一種安全合理的氣流組織方式。這種氣流組織方式還有另外兩個優(yōu)點,一是不需要在實驗室層安裝高效濾器單元和給排風(fēng)管,降低工作層復(fù)雜性并可節(jié)省實驗室的占地面積;二是由于高效濾器單元安裝在空氣處理層,空間大,便于檢測和維修,而且檢測和維修人員通常不需要進入工作層即可完成日常的檢測和維修工作,可大幅度降低人員在工作層的出入,有利于生物安保管理和降低人員暴露的風(fēng)險。因此,筆者建議在我國的標(biāo)準(zhǔn)中,不應(yīng)將氣流組織方式僅限于上送下排,只要能保證送風(fēng)口和排風(fēng)口的布置是對面分布,在使用實驗室時氣流是由相對清潔
14、區(qū)流向相對污染區(qū)的單向氣流,可由使用者選擇排風(fēng)口的位置.3。2壓力梯度關(guān)于BSL-3、4和/或ABSL-3、4實驗室相鄰房間壓差,我國的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為-10Pa1,2,國外標(biāo)準(zhǔn)多為25Pa5.筆者考察過的澳大利亞聯(lián)邦科工組織動物衛(wèi)生研究所、加拿大人類和動物健康科學(xué)中心、美國農(nóng)業(yè)部國家動物疫病中心、美國堪薩斯州立大學(xué)生物安全研究所、日本理化學(xué)研究所和日本國家動物衛(wèi)生研究所等的BSL3、4和/或ABSL3、4實驗室相鄰房間壓差均為25-50Pa,其中加拿大人類和動物健康科學(xué)中心的ABSL-4實驗室核心區(qū)壓力為-250Pa,澳大利亞動物衛(wèi)生研究所的ABSL4實驗室核心區(qū)壓力為-400Pa。較大的壓力梯度
15、保證了上述實驗室空氣的定向流和實驗室壓力環(huán)境的穩(wěn)定性。我國的標(biāo)準(zhǔn)之所以將壓力梯度定的較低,可能是充分考慮了我國現(xiàn)有的和正在建造的BSL-3和/或ABSL3實驗室大多是用彩鋼板等輕型材料建成的簡易BSL-3和/或ABSL-3實驗室。這些實驗室難以承受較大的壓力,更談不上有符合要求的防爆破、防盜和抗震能力??赡苡腥藭羞@樣的疑慮,400Pa的壓力可否造成實驗人員的不適,影響實驗動物正常生理狀況。SICOLAB在考察澳大利亞動物衛(wèi)生研究所時,其BSL-4和ABSL4正好處于消毒清場后的未使用狀態(tài),有幸三次進入BSL4和ABSL4核心區(qū),并逗留較長時間,并無不適感覺。4高效濾器單元我國所有的生物安全實
16、驗室的高效濾器均存在實時監(jiān)測、檢測和消毒后再利用問題。澳大利亞動物衛(wèi)生研究所、加拿大人類和動物健康科學(xué)中心、美國農(nóng)業(yè)部國家動物疫病中心、美國堪薩州立大學(xué)生物安全研究所、日本國家動物衛(wèi)生研究所等各國BSL3、4和/或ABSL-3、4實驗室均使用了高效濾器單元。澳大利亞動物衛(wèi)生研究所的高效濾器單元是自行設(shè)計的,材質(zhì)為不銹鋼,主體呈圓形桶狀,主體兩側(cè)有主副管道兩套空氣流通系統(tǒng),主副管道的給排氣口均設(shè)有氣密閥,主管道的氣密閥通常處于開啟狀態(tài),在進行高效濾器單元消毒和更換高效濾器時關(guān)閉;副管道的氣密閥通常處于關(guān)閉狀態(tài),在進行高效濾器單元消毒和檢漏時開啟。高效濾器單元的兩端為可完全開啟氣密蓋,用于更換高效
17、濾器和檢漏。高效濾器單元一側(cè)裝有實時監(jiān)測高效濾器阻力的儀表,顯示高效濾器是否破損或堵塞。該設(shè)施的高效濾器單元內(nèi)只有一層高效濾器,因此其排氣系統(tǒng)由兩組高效濾器單元串聯(lián)在一起。加拿大人類和動物健康科學(xué)中心、美國農(nóng)業(yè)部國家動物疫病中心和美國堪薩斯州立大學(xué)生物安全研究所高效濾器單元是一種商品化的定型產(chǎn)品,材質(zhì)亦為不銹鋼,呈方形,基本結(jié)構(gòu)與澳大利亞動物衛(wèi)生研究所的高效濾器單元相似,主體兩側(cè)有主副管道兩套空氣流通系統(tǒng),主副管道的給排氣口均設(shè)有氣密閥,主管道的氣密閥通常處于開啟狀態(tài),在進行高效濾器單元消毒和更換高效濾器時關(guān)閉;副管道的氣密閥通常處于關(guān)閉狀態(tài),在進行高效濾器單元消毒和檢漏時開啟.所不同的是,此
18、高效濾器單元內(nèi)裝有雙層高效濾器,裝有兩塊實時監(jiān)測高效濾器阻力的儀表,在箱體的一側(cè)有四個可完全開啟氣密蓋,用于更換高效濾器和檢漏。上述設(shè)施的給排氣高效濾器單元均為一備一用,每天有專業(yè)技術(shù)人員巡回監(jiān)測.給排氣高效濾器單元出現(xiàn)高效濾器漏氣或堵塞等技術(shù)故障時可隨時關(guān)閉,同時開啟備用高效濾器單元,對故障高效濾器單元進行消毒,更換濾器等維護工作,最大程度地降低了對實驗室運轉(zhuǎn)的影響。5動物飼養(yǎng)方式我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在ABSL4實驗室“感染動物應(yīng)飼養(yǎng)在具有級生物安全柜性能的隔離器內(nèi)”,“動物飼養(yǎng)方法要保證動物氣溶膠經(jīng)高效過濾后排放,不能進入室內(nèi)",“特殊情況下,不能在生物安全柜內(nèi)飼養(yǎng)的大動物或動物數(shù)量較多
19、時,要更具情況特殊設(shè)計,例如設(shè)置較大的生物安全柜和可操作的物理防護設(shè)備,盡可能在其內(nèi)進行高濃度污染的操作"。但根據(jù)我們考察的結(jié)果和所掌握的資料表明,澳大利亞動物衛(wèi)生研究所和加拿大人類和動物健康科學(xué)中心ABSL-4實驗室的動物均為開放式飼養(yǎng),即使是小動物也是飼養(yǎng)在開放式籠具內(nèi),而非類似級生物安全柜性能的封閉隔離器內(nèi).因為,ABSL4實驗室防護設(shè)施為環(huán)境和工作人員提供了可信賴的生物安全防護。澳大利亞動物衛(wèi)生研究所和加拿大人類和動物健康科學(xué)中心ABSL-4實驗室的動物飼養(yǎng)方式略有不同。前者是將動物完全限制在動物欄內(nèi),動物的活動空間很??;后者是在實驗室內(nèi)給動物隔離出一塊活動場地,在對動物進行
20、實驗操作時間動物關(guān)入動物保定欄,操作結(jié)束后被放出保定欄可以有一定活動空間。6液體廢棄物處理方式世界各國BSL-3、4實驗室對液體廢棄物處理方式基本都是熱處理,以高溫高壓的處理方式最為普遍,但為節(jié)省能源和提高安全性,有些BSL3、4實驗室對低危液體廢棄物采取了常壓流動式加熱處理方式。澳大利亞動物衛(wèi)生研究所采用了高溫高壓結(jié)合常壓流動式加熱處理方式。對BSL3、4和ABSL-3、4實驗室區(qū)域的高危液體廢棄物采用了12530min的高溫高壓滅菌方式;而支持區(qū)的低危液體廢棄物采用了9920min常壓流動式加熱滅菌方式,由于該研究所面積巨大,共有8個10000L高壓滅菌罐用于處理高危液體廢棄物,四組熱交換
21、柜用于處理低危液體廢棄物。加拿大人類和動物健康科學(xué)中心對液體廢棄物僅采用了12520min的高溫高壓滅菌方式,該設(shè)施共有4000L的高壓滅菌罐3個.日本國家動物衛(wèi)生研究所的BSE研究中心、美國農(nóng)業(yè)部國家動物疫病中心ABSL3實驗室和美國堪薩斯州立大學(xué)生物安全研究所也采用類似的處理方式。7固體廢棄物處理方式世界各國BSL-3、4實驗室對動物殘體和糞便等固體廢棄物的處理方式主要以下四種方式。7。1焚燒處理焚燒處理固體廢棄物是以往BSL-3、4實驗室最普遍采用的一種方式,其優(yōu)點是可以徹底滅活所有病原微生物(包括朊病毒),處理后殘留體積小,降低了對滅菌后二次垃圾的處理量,但焚燒時產(chǎn)生的廢氣對環(huán)境可造成
22、一定程度的污染。澳大利亞動物衛(wèi)生研究所采用了這種方式處理固體廢棄物。澳大利亞動物衛(wèi)生研究所的焚燒爐共兩臺,一備一用。焚燒爐的工作流程,第一道氣密門位于解剖室內(nèi),當(dāng)?shù)谝坏罋饷荛T打開時第二道和第三道氣密門處于關(guān)閉狀態(tài),將動物殘體等固體廢棄物投入第一道和第二道氣密門之間。關(guān)閉第一道氣密門,打開第二道氣密門,固體廢棄物掉入第二道和第三道氣密門之間。關(guān)閉第二道氣密門,打開第三道氣密門,固體廢棄物掉入一次燃燒室,在約600條件下燃燒,產(chǎn)生的煙氣在二次燃燒室內(nèi)8501200燃燒,分解有害物質(zhì)。7。2高溫高壓處理加拿大人類和動物健康科學(xué)中心和美國農(nóng)業(yè)部國家動物疫病中心ABSL-3實驗室對動物殘體等固體廢棄物采
23、用了12530min高溫高壓加攪拌的處理方式。據(jù)介紹經(jīng)高溫高壓后動物殘體(包括骨頭)很容易攪碎.經(jīng)處理后的動物殘體等固體廢棄物裝入塑料袋填埋廢棄礦坑或加工成肥料.7.3堿水解堿水解是一項濕處理技術(shù),在高溫條件下(常用溫度150)是最有效的。這種技術(shù)能夠以加熱和化學(xué)的方法將液體和固體廢棄物消毒,并利用堿金屬化合物(如KOH、NaOH等)將蛋白質(zhì)(包括朊病毒)、脂肪和核酸消解.當(dāng)堿水解過程在足夠高的溫度下進行時,已經(jīng)得到證明這種方法在正常組織分解過程中破壞了朊病毒的傳染性。通過堿水解方法得到的組織分解產(chǎn)物是一種咖啡色、無菌、氨基酸水溶液、肽、脂肪酸鹽、糖類和電解液。該系統(tǒng)是由多個罐體組成,容器的尺
24、寸可以有很大的變化,大的可以處理4550kg動物殘體,小的只有50kg.KOH和NaOH這類堿金屬化合物會被泵入容器內(nèi)部,并在熱煉過程中循環(huán)。固體殘留物約為原體積的3%左右。其缺點是排放的液體中具備高生化需氧量和pH,這會超出政府制定的廢棄液體排放標(biāo)準(zhǔn)許多倍,如果就這樣排放會被征收額外的罰款或是在排放前進行額外的處理。注入CO2和H2S并進行pH值控制可以幫助降低排放物的指標(biāo)。美國堪薩斯州立大學(xué)生物安全研究所采用了堿水解處理動物殘體的方式。7。4高溫高壓處理后焚燒有些研究單位在其BSL-3、4和/或ABSL3、4實驗室建成之前已有固體廢棄物焚燒設(shè)備,后建成的生物安全實驗室很難直接利用這些設(shè)備,
25、另建新的焚燒設(shè)備又導(dǎo)致一定程度的浪費,故采用了對動物殘體等固體廢棄物高溫高壓處理后焚燒的處理方式。如日本國家動物衛(wèi)生研究所的BSE研究中心即采取了這種處理方式,該中心對BSE實驗動物殘體等固體廢棄物經(jīng)13530min高溫高壓滅菌后,再送至焚燒爐焚燒,已達到對朊病毒徹底滅活的目的。8飼料和糞便的處理ABSL-3、4實驗室內(nèi)飼養(yǎng)馬、牛等大型草食獸時,其糞便中含有大量未消化的長纖維成分,加之ABSL3、4實驗室的液體廢棄物收集管道較長、彎頭和閥門較多,非常容易贊成堵塞。為了解決這一問題,澳大利亞動物衛(wèi)生研究所和加拿大人類和動物健康科學(xué)中心對草食獸的飼料進行了粉碎,然后再加工成塊狀。這樣一來,大型草食獸的糞便中就不再含長纖維成分,可以與液體廢棄物一起沖入高壓滅菌罐滅菌處理。9氣密門BSL-3、4和/或ABSL-3、4實驗室最經(jīng)常與外界相同的一是給排氣口,另一個就是人和動物進入的通道.給排氣口的防
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