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如何让实验室更加绿色、环保还更省钱?

Nature自然科研 2018-04-16 11:38:42 阅读:

回收剩余的化学品和设备可以大幅削减能源开支,增加研究预算。

一眼看去,冰箱被塞得严严实实,隔架上裹着冰,所有的样品盒上都覆盖着一层薄薄的霜。这就是演化生物学家Hopi Hoekstra实验室的冷藏系统的样子,此时距离她及其团队开始在这里研究鹿鼠遗传学与行为已有十年了。

如何让实验室更加绿色、环保还更省钱?

来源:Claire Welsh/Nature

哈佛大学的实验室经理Kyle Turner本来正打算花费1万多美元购买一台新的超低温(ULT)冰箱。后来他听说了“北美实验室冰箱挑战赛”,这项比赛于2017年1月启动,发起者是两家非营利组织——我的绿色实验室 (My Green Lab) 和国际可持续实验室研究所(I2SL),它们分别位于加利福尼亚和弗吉尼亚。

目前,该挑战赛已成为一项国际性赛事,它呼吁实验室采取各种措施减少能源消耗,延长设备的使用寿命,包括给冰箱除霜;清除又厚又硬的冰,腾出更多空间存放样品;将超低温冰箱的设定温度从零下80摄氏度提高到零下70摄氏度以降低电力消耗。

Hoekstra实验室获得了学术机构单个实验室组的第一名。尽管实验室积累了很多新研究材料,但是他们把现有的两台超低温冰箱清理一番后,腾出了很多空间,因此都不需要买第三台了。

根据“我的绿色实验室”的数据,节能措施使哈佛每年的电费减少了2500美元左右,并且每年减少了相当于4.1吨二氧化碳的温室气体排放量,大致等同于减少了三辆汽车的排放量。同时,它也意味着Hoekstra实验室可以将本要用于购买新冰箱的资金用于其它与科学相关的用途。

Hoekstra将其看作一笔1万美元的“免费经费”,将利用这笔钱送一些受训人员去参加今年8月在法国蒙彼利埃举行的演化生物学联合大会。部分资金还将被用于对两种鹿鼠近缘种进行高通量基因表达分析。

一般而言,人们通过校园可持续发展倡议促进科学家减少碳足迹,降低能源成本。但是,Hoekstra实验室的经验表明,还有其它更多理由让他们收集多余的试剂、共享设备,或者保持实验室化学药品标签清晰可读,避免重复购买。S-Lab主任Peter James说:“这些事不仅有助于科学研究,也有助于地球的可持续发展,由此释放的资源可以用于科学用途。”S-Lab来自英国伦敦,旨在推广可持续性实验室实践。

互通有无

通过交换项目获得多余的资源,从而减少实验室浪费,降低实验室运营成本,这种做法正日益流行起来。例如,在密歇根大学安娜堡分校,超过230个研究和教学实验室通过校园循环和再利用计划,常规性地共享多余的化学品、设备和材料。

Sudhakar Reddy说:“在交换项目推出之前,这些东西会被扔进垃圾箱或者作为危险废品花钱处理掉。”他一直负责协调该校的可持续发展工作,直至去年12月退休。现在,据他估计,超过三分之一的未过期和未使用的实验室资源会被转移给其他研究人员,每年为他们合计节省逾25万美元。

新来的肺健康研究人员Benjamin Singer免费得到了两台高端显微镜(每台价值超过6000美元)。现在,他用它们来研究捐赠的人类大脑标本,寻找重大疾病留下的损伤分子标记。另一位细胞生物学家Anthony Vecchiarelli通过领用免费的蠕动泵、循环浴、烤片机和其它耗材,为实验室节省了逾1万美元。Vecchiarelli说:“我几乎每周都要查看网站上挂出来的东西,对于一个研究新人来说,这是一笔宝贵的资源。”

然而,并非所有学者都用得上这样的网站。Garry Cooper在美国西北大学范伯格医学院做博士后研究神经生理学时,就没有这样的网站。2015年的一天,他正在帮忙清理实验室里的一台冰箱,然后突然意识到需要这样一个平台:虽然他一直在把一些昂贵的试剂送给一个博士生,但是仍有大量抗体被扔掉,那是一种常用但价格昂贵的研究工具,用于鉴定蛋白质。

于是他决定创建一家公司来减少浪费开支,促进同事之间的交易。他认为这兼具了eBay、Craigslist和Ask.com的功能,在这个研究资金越来越难获得的时代,为实验室的科学家们提供了一项宝贵的服务(见“多了浪费”)。他将“研究(research)”和“低廉(cheaply)”组合成了一个新词“廉研(Rheaply)”,作为这家初创公司的名字。

多了浪费

Rheaply提供一个在线平台让科学家们可以在上面购买、出售、交换或捐赠多余的实验室器具和耗材,在该平台上线之前,Garry Cooper在美国西北大学对120名学术研究人员进行了调查,以便了解为什么某些试剂和设备会被闲置,以及科学家们是否愿意捐赠多余的实验室物资。大多数受访者表示,他们愿意把多余的实验室用品送给同事。下面是Cooper的发现总结:

试剂和设备被闲置或出现剩余的主要原因

• 初始或先导实验失败(71.6%)

• 初始实验需求变更(63.6%)

• 原始购买者离开实验室(56.8%)

• 开始量太大(54.5%)

• 物品储存在隐蔽区域(18.2%)

• 重复订购(15.9%)

被闲置或出现剩余的试剂和设备类型

• 化学品(80.2%)

• 抗体/生物制剂(38.4%)

• 试剂盒(37.2%)

• 玻璃仪器(27.9%)

• 成像染料/显像剂(25.6%)

• 工具(16.3%)

• 组织/细胞培养品(15.1%)

• 管子(12.8%)

• 显微镜设备/配件(10.5%)

• 计算机软件(8.1%)

Cooper和他的公司先开发了一个基于网络的平台,然后于去年在西北大学医学院启动了一个试点项目。在一开始的6个月里,大约300名研究人员创建了Rheaply帐户,约占医学院所有实验室科学家的三分之一。Cooper目前仍是西北大学的访问学者,他介绍说这些用户总共在这个平台上发布了大约200件物品,包括吸量管、玻璃仪器、化学药品和生物探针,而且至少有55件物品成功易主,为医学院实验室节约了逾2.5万美元,避免了这些可用资源被当成垃圾处理掉。

博士后Khalid Alam是一名Rheaply用户,就在上个月,他获得了一个800美元的真空泵,用于开展RNA工程研究,不过他说“那上面东西没有那么多”。西北大学研究安全办公室的执行主任Michael Blayney说:“挑战在于,你如何鼓励和激发人们与平台互动?”这是任何针对科学家的环保项目所要面临的主要问题之一。

切实利益

Amorette Getty参与了许多减废项目。其中一个是在加州大学圣巴巴拉分校,她在那里联合指导一个名为LabRATS(Laboratory Resources, Advocates and Teamwork for Sustainability)的项目,鼓励共享多余的化学品和仪器。她说,科学家们最有可能投入到能为他们自身带来切实利益的项目——不过不一定要是直接的金钱利益。“当我能随时把我想做的各种事情融合起来,从而提高安全性、研究效率,或者改善样品存储时,那就是我最有成就感的时候。”

如何让实验室更加绿色、环保还更省钱?

来源:Claire Welsh/ Nature

基于同样的理念,英国阿伯丁大学的三所学院采取了以下措施:集中管理超低温冰箱,并将运行温度提高到零下70摄氏度。据曾领导过该校冷冻协议小组的脑研究人员Peter McCafferey介绍,这一举措既是为了提高研究的弹性,也是为了可靠地保存样本,同样也是为了提高能源利用效率。“我们把所有冰箱放在一起,更方便管理。”他解释说。

但Cooper认为,人们需要更多动力才会真正行动起来。为了帮助扩大Rheaply的影响范围,他设计了一个积分制系统,对线上交互和活动给予奖励。到目前为止,Cooper已经说服了几家大型学术机构和私人客户参与进来,同时他希望尽快与几家著名的大学和政府研究机构达成协议,包括美国国立卫生研究院。

进一步延伸集体行动理念可以创造更多的削减成本机会。大多数大学已经有了用于专用设备、技术和服务的核心设施,但是现在仅有少数大学将集中式的方法深入应用到如何建立实验室上。

以细胞培养为例,它需要的是相当基础的设备——层流罩、保温箱、细胞计数器、显微镜、离心机、冷冻箱,这些都在一个典型实验室的预算之内。根据对美国大学协会会员机构生物安全员开展的一项调查,86%的细胞培养空间仍然是私用的,只供个别实验室使用。

但是在科罗拉多大学博尔德分校,生物化学细胞培养设施由来自16个实验室的70名用户共享,他们共同出资聘用一名管理人。今年早些时候发表出来的一项关于合作研究空间的案例研究,将这种集中管理形式与假设的独立管理场景进行了对比,发现集中制备培养基和执行其它任务,而不是让单个小组的研究生和博士后来分别完成这些工作,可以为每个实验室每周节省逾9个小时的时间。

分析显示,通过批量采购和循环利用乙醇,生物化学系与各实验室每年合计减少了约19.5万美元的开支。由于减少了能源费用,降低了通风和实验室维护成本,学校每年因此可以节省71000美元。“这样一来,节省了一大笔开销。”该校绿色实验室项目(Green Labs Program)的项目经理Kathy ramiz-aguilar说。她和项目副经理Christina Greever共同开展了上述研究。

酶学家Robert Kuchta也在使用上述设施,他指出共享系统还具有一种不那么明显的环境效益,“它可以大大减少液氮的使用。”这是因为液氮一般存储在圆柱形罐内,各个实验室使用的许多小罐加起来,所占表面积比单个同等体积的大型低温贮藏罐要大,因而氮蒸发的速率也更快。

即使没有联合设施,单个实验室仍然可以利用实验室管理软件来达成这种效果。大型化学实验室采用自动化库存系统后,就可以省掉雇专人管理数千种常用试剂的人工成本,也可以避免研究人员因为找不到库存试剂而另行购买所造成的浪费。

更重要的是,科罗拉多大学的共享设施可以收集所有使用者的有害垃圾进行集中处理,减少杀菌釜低效半空运行的次数,而且可以与废物处理公司达成更划算的交易。各单个实验室通过共享一个化学品追踪系统也能做到这一点。

都柏林圣三一学院的首席技术官兼危险品安全顾问Marcus Phelan说:“这样你就可以将同样的废弃物打包处理,价格就是一样的,因为你仍然只是要处理一包废弃物。”该校的所有化学实验室都在使用一种云库存系统——LabCup。

新的曙光

除了全校性项目,科学家们个人也能通过采取某些措施,节约资金,保护环境,维护研究诚信。

举例来说,使用荧光显微镜的实验室可以用毒性更低、更节能的发光二极管(LED)来取代汞灯。据我的绿色实验室(My Green Lab)执行主任Allison Paradise介绍,LED提供的光源比汞灯更稳定,更适用于科学研究;汞灯会随着时间的推移而老化,难以定量地比较实验中不同时间点的图像。在冰箱挑战赛大获成功的鼓舞下,Paradise说她正在与赞助商讨论设立一个类似的项目,但这次的目标是消除显微镜灯中的汞。如果顺利,这一项目将在今年晚些时候启动。

最终,我们可能要更加侧重于整个研究体系的可持续性和效率,以便在经济和环保方面均能获得最大收益。为此,科学家和资助机构必须团结起来,把实现这一目标作为一项工作重点。

各实验室可能不需要利用他们自己的研究经费支付能源费用,但是设施费用是基础设施花费的一部分,这就是通常所说的间接成本。降低这些成本可以将更多的资金用于工资、差旅、设备和其它方面开支,更直接地为科学家和他们的研究项目提供支持。

到目前为止,科学家个人还没有什么动力去做这些事。然而,由于许多资助机构强调需要证明拟开展研究所具有的广泛影响,Ramirez-Aguilar认为在实验室内采用节能且可持续性的做法不失为一种明智之举,或能让研究人员脱颖而出。这看起来可能只是一个小细节,但是在某些时候会切实地影响申请成功率。她说:“如果它能让你的计划书看起来更出色,你就更有可能获得资金。”

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