广义生物安全学(新形态教材)

**章 实验室生物安全 实验室是进行科学研究、药物研发、疾病防控和医学检验等工作的重要条件，也是人员防护与环境保护的主要屏障。实验室生物安全是指在从事病原微生物等生物危害相关的实验活动中，为避免其对实验室工作人员、相关人员、公众及环境的危害，保证实验研究的科学性或保护实验过程免受污染而配置的物理、生物防护设施和设备，以及建立的规范操作技术方法、管理体系等综合措施。近年来，实验室生物安全越来越受到生物学、医学、农学等相关专业的学生、科研工作者和社会公众的关注。学习和掌握实验室生物安全的相关知识与防护方法是实验操作人员保障自身安全的重要环节，也是科学研究工作顺利进行的基本保证。本章内容主要包括实验室生物安全基础知识、实验室生物危害的来源及分级、相应的实验室生物安全防护设施、实验操作人员的个人防护设备、生物安全实验室的消毒灭菌及应急预案与处置、实验室的生物安全管理等。 **节 实验室生物安全基础 一、实验室生物安全基本概念 实验室是进行科学实验的场所。进行与生命活动相关研究的实验室称为生物学实验室，包括普通的生物学教学实验室和科研实验室。主要有通用的基础实验室，植物、动物和微生物实验室，临床检验实验室，公共卫生实验室，传染病监测实验室等。 当生物学研究、临床诊断、保管或操作传染性物质时，存在着生物学风险，可能会造成生物危害（biohazard）或生物威胁（biothreat）。由于操作失误或某些不正确的操作，历史上，国内外实验室中相关的生物学感染时有发生，部分造成了严重的后果，有的还导致了重大公共卫生事件。为避免实验室工作人员操作生物因子及相关材料造成危害所制定的相关规则及措施，即实验室生物安全（laboratory biosafety）。具体而言，就是在生物学实验室中，必须在实验室的设计、建造、实验室防护设施及个体防护装置等方面建立严格的规范，制定细致的生物学操作规程及生物安全管理措施，确保实验室工作人员不受实验对象危害，防止其操作的对象向周围环境释放，并尽可能减小相关危害材料意外释放到环境中的概率。 实验室生物安全防护的内容主要包括实验室的建筑设计规范、安全防护设施设备、个体防护装备，严格的管理制度和标准化的操作程序及规程等。它的保护对象包括实验人员、周围环境和实验对象。 二、国内外生物安全实验室发展现状 生物安全实验室在20世纪50～60年代首先诞生在美国，主要是针对实验室意外事故感染所采取的对策。在此之前的40年代，美国为了研究生物武器，实施了“气溶胶感染计划”，大量使用烈性传染病的病原体进行实验室试验和武器化及现场试验，造成实验室感染事件频发。第二次世界大战期间，日本在实行惨无人道的细菌战过程中，他们自己实验室的很多工作人员也受到感染，造成上千人员伤亡。苏联生物武器研究基地也发生过炭疽杆菌泄漏事故，造成了大量的人员伤亡。因此，美国、日本、英国、苏联和加拿大等相继建立了不同级别的生物安全实验室。 自20世纪70年代以来，实验室生物安全受到了美国、英国、日本等国家的高度重视。世界卫生组织（WHO）、美国卫生与公众服务部（HHS）、美国国立卫生研究院（NIH）、美国疾病预防与控制中心（CDC）、美国国家癌症研究所（NCI）、日本国立预防卫生研究院等均制定了生物安全实验室的各种管理规范、标准和实验指南。 1979年，美国实验室生物安全专家派克（Pike）指出：“我们具备了防止在部分实验室感染的知识、技术和设备。”但当时国际上并没有任何操作规程、标准、指南或其他文件为实验室操作提供详细的技术、设备介绍及其他规范。《病原体的危险程度分级》（Classification of Etiologic Agents on the Basis of Hazard）在20世纪70年代被作为传染病实验室的一般参考书，此书也是《微生物学和生物医学实验室的生物安全》（Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories）的早期蓝本。 1983年，WHO出版了《实验室生物安全手册》（Laboratory Biosafety Manual）（以下简称《手册》）**版，鼓励各国接受和执行生物安全的基本概念，并针对当地实验室如何安全处理致病微生物制定了操作规范。多个国家利用《手册》所提供的指导，制定了生物安全操作规范。《手册》的第二版、第三版和第四版分别于1993年、2004年和2020年出版。《手册》第三版阐述了新千年所面临的生物安全和生物安全保障问题，并在以下几个方面增加了新的内容：危险度评估、重组DNA技术的安全利用及感染性物质运输。第三版还介绍了生物安全保障的概念，即保护微生物资源免受盗窃、遗失或转移，以免因微生物资源的不适当使用而危及公共卫生。《手册》第四版将实验室生物安全防护要求分为“核心要求”“加强要求”和“*高要求”，这三个要求相当于旧版的BSL-2、BSL-3、BSL-4的要求。第四版对实验室的生物安全防护要求主要是基于生物因子和人员能力的评估而确定的。鉴于我国实验室生物安全管理工作的实际需求和本书的主要使用对象，本章仍沿用第三版的相关分级。 我国强调实验室生物安全主要是在2000年以后，起步和发展较晚。随着生物科学的发展及公共安全事件的发生，特别是2003年严重急性呼吸综合征（SARS）暴发流行和高致病性禽流感发生后，生物安全引起我国政府和广大科研管理部门、科研人员和社会大众的广泛重视与关注。2003年，参照WHO、美国和加拿大等卫生与疾控部门的相关要求，我国组织编译了《医学实验室-安全要求》。在此基础上，2004年，我国颁布了国家标准《实验室生物安全通用要求》（GB 19489-2004），这是国家对实验室生物安全管控强制执行的标准。2008年，对该标准进行了修订（GB 19489-2008），这是现行的国家标准。 2005年7月26日，中国实验室国家认可委员会在北京宣布，中国首家高级别生物安全实验室（ABSL-3）—武汉大学生物安全三级动物实验室通过国家认证，表明中国实验室生物安全认证体系建成并开始有效运行，标志着中国在生物安全领域的认证工作已经步入制度化、规范化和法制化的轨道。2015年1月31日，我国首*P4实验室—中国科学院武汉国家生物安全实验室（即武汉P4实验室）在武汉竣工。这意味着，中国人将能够在自己的实验室独立开展埃博拉病毒（Ebola virus）等高度危险病原体的实验研究（见知识扩展1-1）。 近年来，我国高等院校、科研院所、医院和疾病控制等部门纷纷建立起生物安全实验室；特别是2019年12月新型冠状病毒肺炎在全球开始流行后，我国对于生物安全的重视达到了前所未有的高度。在新型冠状病毒的检测及科学研究中，凸显了我国对于高级别生物安全实验室的迫切需求和现有高级别生物安全实验室数量的严重不足。建立高等级生物安全实验室，不仅对于科学研究，而且对于保护人民群众生命财产安全、维护社会稳定都具有重大意义。 第二节 实验室生物危害的来源及分级 一、实验室感染的主要来源及其控制 一些感染性的致病生物因子，无论是直接感染，还是间接地散播到环境中，对人类、动物或植物都是一个现实的或潜在的危害。实验室生物感染的主要来源有误食、皮肤切割、针刺、动物抓咬、气溶胶吸入等；经口、皮肤或呼吸道传播。多种因素可诱发实验室感染，主要有致病微生物（致病因子）、人对致病因子的易感性、操作方法及环境条件等。其中，操作过程中产生的微生物气溶胶会造成致病因子的空气传播，是实验室生物安全事故发生的主要原因。 （一）实验室微生物气溶胶的种类 气溶胶是指液态或固态微粒在空气中形成的相对稳定的分散悬浮体系。其直径一般为0.01～100μm。实验室产生的微生物气溶胶主要有飞沫气溶胶和粉尘气溶胶两类。飞沫气溶胶是指含微生物（如微生物标本或培养物）的液体在外力作用下，形成非常小的颗粒，颗粒中水分蒸发后，核心颗粒悬浮在空气中所形成的飞沫核（气溶胶）；粉尘气溶胶是指干燥的含微生物培养物（或是皮毛、毛发碎屑及灰尘等）在外力作用下形成的微小颗粒，悬浮于空气中形成的气溶胶。这两类气溶胶对于人体都有感染性，危害程度取决于该病原微生物的毒力、气溶胶的浓度及局部空气条件等。 （二）实验室微生物气溶胶的产生 实验室微生物气溶胶产生后，随空气流动，可能会引起工作人员感染。含病原体的致病性气溶胶感染有如下特点：①气溶胶随空气流动，进入其他空间造成空气和器物表面污染；②一般来说，经呼吸道吸入微生物的感染性较高；③呼吸道吸入气溶胶可引起大量人群感染，如新型冠状病毒和严重急性呼吸综合征（SARS）病毒，且临床上可引发非典型症状，造成诊断困难，延误治疗；④微生物气溶胶经呼吸道引发的感染较难防治。 实验室在进行样品处理过程中，如进行搅拌、振荡、超声粉碎、离心、接种、培养等常规操作时，都可能产生大量气溶胶。在相对安全的操作中，如菌液和病毒的密闭培养，即使在静止状态下，气溶胶仍可存在1h；致病微生物一旦进入实验室的空调或通风系统，还可形成更广泛的气溶胶污染。 微生物气溶胶也可来源于患病的实验动物。有研究表明，暴露于炭疽芽孢杆菌气溶胶的实验动物，在整个饲养周期，其笼子周围都可检测到炭疽芽孢杆菌的芽孢；豚鼠暴露于枯草芽孢杆菌的气溶胶后，可连续21d产生含该菌的气溶胶。 由于重力的作用，直径较大的飞沫可近距离沉降至地面，但微生物气溶胶在实验室形成后，很容易通过空气流动或其他途径传播到周围环境中（图1-1），应将控制实验室微生物气溶胶的产生和传播作为预防实验室感染的重要措施。 图1-1 气溶胶的传播 （三）实验室微生物传播和感染的控制 气溶胶是微生物感染的主要途径，应从气溶胶的产生和传播环节入手，阻断微生物的传播和感染。具体包括以下4个方面：①严格按照实验室生物安全要求规范进行实验操作，特别是在微生物接种、培养、使用注射器和加样器等处理含有或疑似含有病原微生物的生物样品时。②使用符合相应实验室生物安全级别的生物安全实验室和生物安全柜进行实验操作。③设计和建立达到生物安全级别的实验室通风系统，防止含微生物气溶胶在空气中的流动和向周围环境泄漏。④严格做好个人防护。个人防护是防止感染的*后一道防线，通常有物理防护和疫苗防护两种，以物理防护为主。 二、生物因子风险分级 在实验室使用传染性或有潜在传染性材料前，必须进行微生物危害评估。应根据传染性微生物致病能力的严重程度、传播途径、稳定性、感染剂量、操作时的浓度和规模、实验对象的来源、是否有动物实验数据、是否有有效预防和治疗方法等诸因素进行微生物危害评估。通过微生物危害评估确定对象微生物应在哪一级的生物安全防护实验室中进行操作，根据危害评估结果，制定相应的操作规程、实验室管理制度和紧急事故处理办法，形成书面文件并严格遵照执行。 实验室生物危害分级的基本依据是：病原微生物和毒力因子对于人体和动物的感染能力、致病性及感染后对个体或群体的危害程度、预防和治愈能力。生物危害等级划分的具体工作一般由相关领域的科学家、卫生健康及生物安全管理部门的管理人员共同参与，完成后以目录的形式颁布。目前，各国一般将生物危险性分为4～5个危害等级。世界卫生组织（WHO）根据具有感染性微生物的相对危害性，将生物因子风险分为4级。我国于2004年颁布了《病原微生物实验室生物安全管理条例》，并于2016年和2018年进行了修订。该条例对于生物因子风险的分级与WHO及其他国家如美国疾病预防与控制中心（CDC）基本一致。该条例将病原微生物分为4类（表1-1）：**类病原微生物，是指能够引起人类或者动物非常严重的疾病的微生物，以及我国尚未发现或者已经宣布消灭的微生物。第二类病原微生物，是指能够引起人类或者动物严重疾病，比较容易直接或者间接在人与人、动物