ABSL-3、ABSL-4实验室设计建设、装修SICOLAB

ABSL-3、ABSL-4实验室设计建设、装修SICOLAB（解决方案）
第二次世界大战结束后，美国出于其全球战略考虑，对各类致病微生物均表现出浓厚的研究兴趣。

然而在普通实验室进行致病微生物的研究不可避免的会发生实验室感染和泄漏事件。

为了防止这类事件的发生，在20世纪的五、六十年代，美国出现了最早的生物安全实验室。

随后其他国家，如前苏联、英国、法国、德国、日本、澳大利亚、瑞典、加拿大、西班牙、南非、加蓬、瑞士、荷兰、丹麦、新加坡、马来西亚等国也相继建造了不同级别的生物安全实验室。

其中美国、英国、法国、德国、俄罗斯、日本、澳大利亚、瑞典、加拿大、南非、加蓬和台湾等国家和地区均建有生物安全四级(Biosafety level4，BSL-4)实验室。

我国大陆生物安全实验室建设起步较晚，20世纪末陆续建设了一些规格较低的生物安全三级(Biosafety level3，BSL-3)实验室，使得SARS暴发后竟难以找到不经改造即可使用的合乎要求的BSL-3实验室。

SARS和高致病性禽流感的暴发使我国认识到了生物安全实验室在烈性传染病防控研究方面的重要意义，2004年我国先后颁布了《实验室生物安全通用要求》(GB19489-2004)，《生物安全实验室建筑技术规范》(GB-50346-2004)和国务院第424号令《病原微生物实验室生物安全管理条例》，使我国生物安全实验室的建设和管理走上了规范化和法制化轨道。

最近，国家又批准建设“国家动物疫病防控高级别生物安全实验室”等一批高级别生物安全实验设施，标志着我国生物安全实验室的建设将进入世界先进国家行列。

然而现阶段我国对高级别生物安全实验室(特别是BSL-4实验室)的设计建设、设备制造、运行管理、控制监测等方面的核心技术研究非常薄弱，关系列生物安全的关键设备、检测技术及相应标准和实验室的安全控制体系的研制、制定和建设几乎处于空白阶段，国内尚无BSL-4实验室的设计建设经验，严重制约了我国高级别生物安全实验室的建设和安全管理。

我国计划建设的“国家动物疫病防控高级别生物安全实验室”将是我国投资规模最大、技术含量和生物安全水平最高的生物安全实验设施。

为保证“国家动物疫病防控高级别生物安全实验室”项目设计建设的科学性和合理性，笔者多次考察了澳大利亚联邦科工组织动物卫生研究所、加拿大人类和动物健康科学中心、日本国家动物卫生研究所、美国农业部国家动物疫病中心和美国堪萨斯州立大学生物安全研究所等当今世界上最为先进的包括动物生物安全三、四级(Animal biosafety level-3，4，ABSL-3，4)实验室在内的高级别大动物生物安全实验设施。

结合我国颁布的有关标准，概略介绍一下ABSL-3，4实验室设计、建设及使用方面的一些体会。

1平面布局
澳大利亚联邦科工组织动物卫生研究所于1978年开始建设，1985年竣工投入使用，整个建设工期为7年，总投资额按现在价值计算约为5亿澳元，合30多亿元人民币。

实验室主体结构为混泥土现浇的5层建筑，建筑面积约60000m2，其中第三层为BSL-3，4实验室的负压区，建筑面积约1000m2。

ABSL-3，4实验室位于主体建筑的一侧，面积约2000m2，共有ABSL-3实验室26间，ABSL-4实验室2间，ABSL-3解剖室1间。

由于实验室众多，解剖室只有一间，各实验室难以与解剖室直接相连，故在设计上采取了四列实验室并联方式，所有实验室的一侧为准洁净走廓，供工作人员进出，实验动物和物品搬入用；另一侧为污染走廓，与解剖室相连，用于感染的实验动物和污染物品的搬出，即所谓双洁净走廓，单污染走廓模式〔4〕。

由于这种设计方式较好地解决了实验室与解剖室的连接和污染物的处理问题，后来建设的加拿大人类和动物健康科学中心、瑞士病毒与免疫预防研究所、日本国家动物卫生研究所的BSE研究中心、美国农业部国家动物疫病中心ABSL-3实验室和美国堪萨斯州立大学生物安全研究所等均采用了类似平面布局。

这种平面布局也存在一些问题，如澳大利亚动物卫生研究所和加拿大人类和动物健康科学中心均建有ABSL-4实验室，但出于造价和使用方便上的考虑，其污染走廓和解剖室为BSL-3实验室水平，ABSL-4的感染动物和污染物不能直
接利用污染走廓和解剖室，以防造成防护级别以上的污染。

以上两个设施的AB-SL-4实验室感染动物解剖均在同一实验室内进行，解剖后的动物残体和固体污染物通过污染走廓一侧墙体上的双扉高压灭菌器灭菌后，送到解剖室进一步处理。

像这样将污染走廓和解剖室设计成BSL-3实验室水平，虽然降低了造价，但造成ABSL-4实验室不能直接利用这部分设施，而且，在ABSL-4实验室尚有存活动物时解剖实验动物，有悖实验动物伦理。

因此，我国在进行ABSL-4和ABSL-3设计时，应该对如何设计污染走廓和解剖室的生物安全水平进行充分的讨论和论证。

2立体结构
2.1三层结构方式世界上大多数国家的BSL-3、4实验室采用三层结构方式。

第一层为废弃物处理层，主要有液体废物收集管道、液体废弃物处理设备和固体废弃物处理设备。

为了防止意外泄漏造成的生物安全事件，液体废弃物处理和固体废弃物处理间压力为-50Pa，气流方式和气密性与BSL-3实验室相同。

第二层为实验室的核心即含有BSL-3、4实验室和ABSL-3、4实验室的工作层。

从普通实验室环境进入BSL-4或实验室ABSL-4核心区，首先要经过一道带有密码锁的门进入环形走廓，经由两道气密门构成的淋浴室后，进入正压服更换间，更换正压服后再经由两道气密门构成的化学淋浴室，才能进入核心区。

第三层为空气处理层，主要设备有给排气的高效滤器单元、风机、空调机组、化学淋浴设备等。

多数国家的BSL-3、4实验室空气处理层不要求负压和气密性。

2.2五层式结构澳大利亚动物卫生研究所采用了五层结构方式。

第一层为废弃物处理层，主要有高压灭菌罐、流动式加热灭菌设施和焚烧炉等，此层压力为-100Pa，气流方式和气密性与BSL-3实验室相同。

第二层为液体废弃物收集层，主要为液体废弃物收集管道。

此层压力为-100Pa，气流方式和气密性与BSL-3实验室相同。

第三层为工作层，包括支持区、BSL-3、4实验室区和ABSL-3、4实验室区。

支持区主要有清洗室、培养基制备室、洗衣房、食堂等。

BSL-3、4实验室区包括一间正压服式BSL-4实验室和一间手套箱式BSL-4实验室，其余均为BSL-3实验室。

ABSL-3、4实验室区前面已经说明，在此不再赘述。

值得一提的是，要进入该设施的ABSL-4实验室核心区，需经过八道气密门。

第四层为空气处理层，主要设备有给排气的高效滤器单元和化学淋浴设备等。

与其他国家的设施不同，该设施此层压力为-100Pa，气流方式和气密性与BSL-3实验室相同。

第五层为设备层，主要有给排气风机、冷热交换器和初中效滤器等设备。

此层无生物安全防护要求。

从生物安全实验室的防护结构来看，无疑澳大利亚动物卫生研究所的安全性是最好的。

然而，由于其结构方式建设投资巨大，而且设计为BSL-3实验室水平的液体废弃物收集层和空气处理层空间巨大(分别约为30000m3和40000m3)，维持其-100Pa的压力、每小时10次左右的换气量及20℃左右的恒温，需要大量的人力资源和能源，运转维持费十分昂贵该设施的维持费每年均在2500万澳元以上，约合人民币1.5亿元)。

因此，世界各国的生物安全实验室在确保生物安全的前提下，均采用了三层结构方式，而且其空气处理层均无负压和气密性要求。

3气流组织方式和压力梯度
3.1气流组织方式我国颁布的《实验室生物安全通用要求》(GB19489-2004)，《生物安全实验室建筑技术规范》(GB50346-2004)均明确规定BSL-3、4和ABSL-3、4实验室的气流组织方式为上送下排〔1，2〕。

然而，据笔者的实地考察和掌握的资料，澳大利亚动物卫生研究所、加拿大人类和动物健康科学中心、美国CDC、美国农业部国家动物疫病中心、美国堪萨斯州
立大学生物安全研究所、美国德克萨斯大学、日本国家卫生研究所、日本理化学研究所、日本国家动物卫生研究所、瑞士病毒与免疫预防研究所的BSL-3、4和/或ABSL-3、4实验室的气流组织方式均为上送上排。

笔者举出上述例子并不是要否定上送下排气流组织方式，只是依据上述实验室长时间应用实践证明上送上排气流组织方式的可行性。

如澳大利亚卫生研究所1985年建成后，开展了或正在开展汉德拉病毒、尼帕病毒和SARS病毒等人畜共患高致病性病原体的研究；加拿大人类和动物健康科学中心1999年开始使用以来，开展了或正在开展埃博拉病毒、SARS病毒、高致病性禽流感病毒、口蹄疫病毒等高致病性病原体的研究；美国CDC更是有着长期从事埃博拉病毒、天花病毒、马尔堡病毒、SARS病毒、高致病性禽流感病毒等多种高致病性病原体的研究经验，这些实验室均未因上送上排气流组织方式所造成的气流死角或涡流而导致实验室的生物安全事件。

上述实验室的使用经验说明，上送上排也是一种安全合理的气流组织方式。

这种气流组织方式还有另外两个优点，一是不需要在实验室层安装高效滤器单元和给排风管，降低工作层复杂性并可节省实验室的占地面积；二是由于高效滤器单元安装在空气处理层，空间大，便于检测和维修，而且检测和维修人员通常不需要进入工作层即可完成日常的检测和维修工作，可大幅度降低人员在工作层的出入，有利于生物安保管理和降低人员暴露的风险。

因此，笔者建议在我国的标准中，不应将气流组织方式仅限于上送下排，只要能保证送风口和排风口的布置是对面分布，在使用实验室时气流是由相对清洁区流向相对污染区的单向气流，可由使用者选择排风口的位置。

3.2压力梯度关于BSL-3、4和/或ABSL-3、4实验室相邻房间压差，我国的标准规定为-10Pa 〔1，2〕，国外标准多为-25Pa〔5〕。

笔者考察过的澳大利亚联邦科工组织动物卫生研究所、加拿大人类和动物健康科学中心、美国农业部国家动物疫病中心、美国堪萨斯州立大学生物安全研究所、日本理化学研究所和日本国家动物卫生研究所等的BSL-3、4和/或ABSL-3、4实验室相邻房间压差均为-25~-50Pa，其中加拿大人类和动物健康科学中心的ABSL-4实验室核心区压力为-250Pa，澳大利亚动物卫生研究所的ABSL-4实验室核心区压力为-400Pa。

较大的压力梯度保证了上述实验室空气的定向流和实验室压力环境的稳定性。

我国的标准之所以将压力梯度定的较低，可能是充分考虑了我国现有的和正在建造的BSL-3和/或ABSL-3实验室大多是用彩钢板等轻型材料建成的简易BSL-3和/或ABSL-3实验室。

这些实验室难以承受较大的压力，更谈不上有符合要求的防爆破、防盗和抗震能力。

可能有人会有这样的疑虑，-400Pa的压力可否造成实验人员的不适，影响实验动物正常生理状况。

SICOLAB在考察澳大利亚动物卫生研究所时，其BSL-4和ABSL-4正好处于消毒清场后的未使用状态，有幸三次进入BSL-4和ABSL-4核心区，并逗留较长时间，并无不适感觉。

4高效滤器单元
我国所有的生物安全实验室的高效滤器均存在实时监测、检测和消毒后再利用问题。

澳大利亚动物卫生研究所、加拿大人类和动物健康科学中心、美国农业部国家动物疫病中心、美国堪萨州立大学生物安全研究所、日本国家动物卫生研究所等各国BSL-3、4和/或ABSL-3、4实验室均使用了高效滤器单元。

澳大利亚动物卫生研究所的高效滤器单元是自行设计的，材质为不锈钢，主体呈圆形桶状，主体两侧有主副管道两套空气流通系统，主副管道的给排气口均设有气密阀，主管道的气密阀通常处于开启状态，在进行高效滤器单元消毒和更换高效滤器时关闭；副管道的气密阀通常处于关闭状态，在进行高效滤器单元消毒和检漏时开启。

高效滤器单元的两端为可完全开启气密盖，用于更换高效滤器和检漏。

高效滤器单元一侧装有实时监测高效滤器阻力的仪表，显示高效滤器是否破损或堵塞。

该设施的高效滤器单元内只有一层高效滤器，因此其排气系统由两组高效滤器单元串联在一起。

加拿大人类和动物健康科学中心、美国农业部国家动物疫病中心和美国堪萨斯州立大学生物安全研究所高效滤器单元是一种商品化的定型产品，材质亦为不锈钢，呈方形，基本结构与澳大利亚动物卫生研
究所的高效滤器单元相似，主体两侧有主副管道两套空气流通系统，主副管道的给排气口均设有气密阀，主管道的气密阀通常处于开启状态，在进行高效滤器单元消毒和更换高效滤器时关闭；副管道的气密阀通常处于关闭状态，在进行高效滤器单元消毒和检漏时开启。

所不同的是，此高效滤器单元内装有双层高效滤器，装有两块实时监测高效滤器阻力的仪表，在箱体的一侧有四个可完全开启气密盖，用于更换高效滤器和检漏。

上述设施的给排气高效滤器单元均为一备一用，每天有专业技术人员巡回监测。

给排气高效滤器单元出现高效滤器漏气或堵塞等技术故障时可随时关闭，同时开启备用高效滤器单元，对故障高效滤器单元进行消毒，更换滤器等维护工作，最大程度地降低了对实验室运转的影响。

5动物饲养方式
我国标准规定在ABSL-4实验室“感染动物应饲养在具有Ⅲ级生物安全柜性能的隔离器内”，“动物饲养方法要保证动物气溶胶经高效过滤后排放，不能进入室内”，“特殊情况下，不能在生物安全柜内饲养的大动物或动物数量较多时，要更具情况特殊设计，例如设置较大的生物安全柜和可操作的物理防护设备，尽可能在其内进行高浓度污染的操作”。

但根据我们考察的结果和所掌握的资料表明，澳大利亚动物卫生研究所和加拿大人类和动物健康科学中心ABSL-4实验室的动物均为开放式饲养，即使是小动物也是饲养在开放式笼具内，而非类似Ⅲ级生物安全柜性能的封闭隔离器内。

因为，ABSL-4实验室防护设施为环境和工作人员提供了可信赖的生物安全防护。

澳大利亚动物卫生研究所和加拿大人类和动物健康科学中心ABSL-4实验室的动物饲养方式略有不同。

前者是将动物完全限制在动物栏内，动物的活动空间很小；后者是在实验室内给动物隔离出一块活动场地，在对动物进行实验操作时间动物关入动物保定栏，操作结束后被放出保定栏可以有一定活动空间。

6液体废弃物处理方式
世界各国BSL-3、4实验室对液体废弃物处理方式基本都是热处理，以高温高压的处理方式最为普遍，但为节省能源和提高安全性，有些BSL-3、4实验室对低危液体废弃物采取了常压流动式加热处理方式。

澳大利亚动物卫生研究所采用了高温高压结合常压流动式加热处理方式。

对BSL-3、4和ABSL-3、4实验室区域的高危液体废弃物采用了125℃30min的高温高压灭菌方式；而支持区的低危液体废弃物采用了99℃20min常压流动式加热灭菌方式，由于该研究所面积巨大，共有8个10000L高压灭菌罐用于处理高危液体废弃物，四组热交换柜用于处理低危液体废弃物。

加拿大人类和动物健康科学中心对液体废弃物仅采用了125℃20min的高温高压灭菌方式，该设施共有4000L的高压灭菌罐3个。

日本国家动物卫生研究所的BSE研究中心、美国农业部国家动物疫病中心ABSL-3实验室和美国堪萨斯州立大学生物安全研究所也采用类似的处理方式。

7固体废弃物处理方式
世界各国BSL-3、4实验室对动物残体和粪便等固体废弃物的处理方式主要以下四种方式。

7.1焚烧处理焚烧处理固体废弃物是以往BSL-3、4实验室最普遍采用的一种方式，其优点是可以彻底灭活所有病原微生物(包括朊病毒)，处理后残留体积小，降低了对灭菌后二次垃圾的处理量，但焚烧时产生的废气对环境可造成一定程度的污染。

澳大利亚动物卫生研究所采用了这种方式处理固体废弃物。

澳大利亚动物卫生研究所的焚烧炉共两台，一备一用。

焚烧炉的工作流程，第一道气密门位于解剖室内，当第一道气密门打开时第二道和第三道气密门处于关闭状态，将动物残体等固体废弃物投入第一道和第二道气密门之间。

关闭第一道气密门，打开第二道气密门，固体废弃物掉入第二道和第三道气密门之间。

关闭第二道气密门，打开第三道气密门，固体废弃物掉入一次燃烧室，在约600℃条件下燃烧，产生的烟气在二
次燃烧室内850℃~1200℃燃烧，分解有害物质。

7.2高温高压处理加拿大人类和动物健康科学中心和美国农业部国家动物疫病中心ABSL-3实验室对动物残体等固体废弃物采用了125℃30min高温高压加搅拌的处理方式。

据介绍经高温高压后动物残体(包括骨头)很容易搅碎。

经处理后的动物残体等固体废弃物装入塑料袋填埋废弃矿坑或加工成肥料。

7.3碱水解碱水解是一项湿处理技术，在高温条件下(常用温度150℃)是最有效的。

这种技术能够以加热和化学的方法将液体和固体废弃物消毒，并利用碱金属化合物(如KOH、NaOH等)将蛋白质(包括朊病毒)、脂肪和核酸消解。

当碱水解过程在足够高的温度下进行时，已经得到证明这种方法在正常组织分解过程中破坏了朊病毒的传染性。

通过碱水解方法得到的组织分解产物是一种咖啡色、无菌、氨基酸水溶液、肽、脂肪酸盐、糖类和电解液。

该系统是由多个罐体组成，容器的尺寸可以有很大的变化，大的可以处理4550kg动物残体，小的只有50kg。

KOH和NaOH这类碱金属化合物会被泵入容器内部，并在热炼过程中循环。

固体残留物约为原体积的3%左右。

其缺点是排放的液体中具备高生化需氧量和pH，这会超出政府制定的废弃液体排放标准许多倍，如果就这样排放会被征收额外的罚款或是在排放前进行额外的处理。

注入CO2和H2S并进行pH值控制可以帮助降低排放物的指标。

美国堪萨斯州立大学生物安全研究所采用了碱水解处理动物残体的方式。

7.4高温高压处理后焚烧有些研究单位在其BSL-3、4和/或ABSL-3、4实验室建成之前已有固体废弃物焚烧设备，后建成的生物安全实验室很难直接利用这些设备，另建新的焚烧设备又导致一定程度的浪费，故采用了对动物残体等固体废弃物高温高压处理后焚烧的处理方式。

如日本国家动物卫生研究所的BSE研究中心即采取了这种处理方式，该中心对BSE实验动物残体等固体废弃物经135℃30min高温高压灭菌后，再送至焚烧炉焚烧，已达到对朊病毒彻底灭活的目的。

8饲料和粪便的处理
ABSL-3、4实验室内饲养马、牛等大型草食兽时，其粪便中含有大量未消化的长纤维成分，加之ABSL-3、4实验室的液体废弃物收集管道较长、弯头和阀门较多，非常容易赞成堵塞。

为了解决这一问题，澳大利亚动物卫生研究所和加拿大人类和动物健康科学中心对草食兽的饲料进行了粉碎，然后再加工成块状。

这样一来，大型草食兽的粪便中就不再含长纤维成分，可以与液体废弃物一起冲入高压灭菌罐灭菌处理。

9气密门BSL-3、4和/或ABSL-3、4实验室最经常与外界相同的一是给排气口，另一个就是人和动物进入的通道。

给排气口的防止泄露装置是前面已经介绍的高效滤器单元，人和动物进入的通道上的防止泄露装置就是气密门。

为了有效的防止泄露，国外的BSL-3、4和/或ABSL-3、4实验室均采用了不锈钢制的高质量气密门，但气密门式有所不同。

大多数实验室采用的是类似于潜水艇或军舰的水密门机械挤压式，如加拿大人类和动物健康科学中心BSL-4实验室的气密门，这类气密门的优点是结构简单，不易发生故障，易于维修，造价较低；缺点是开启关闭较沉重，耗费试验人员体力。

澳大利亚动物卫生研究所采用的是自动充气膨胀式气密门，气密门的周围为空心的橡胶密封圈，当门处于关闭状态时，橡胶密封圈由于充气膨胀，挤压住门与门框间的缝隙，起到封闭与防止门开启的作用。

按动门左侧的黑色按钮，橡胶密封圈自动放气减压，门与门框间出现缝隙，可以打开气密门进入气锁室(通常兼为淋浴室或化学淋浴室)，关上气密门后橡胶密封圈自动充气增压，只有当一侧的气密门完全充气封闭后，按压气锁室另一侧的气密门黑色开启按钮，其橡胶密封圈才会自动放气减压，在一侧的气密门未完全充气封闭时，即使按压气锁室另一侧的气密门黑色开启按钮，其橡胶密封圈也不会自动放气减压。

当自动控制系统失灵或遇到紧急情况时，按下红色的紧急手柄，气密门会自动减压放气，并失去连锁功能。

自动充气膨胀式气密门虽然减轻了工作人员的体力负担，但存在结构较为复杂，较易发生故障，
维修也比较复杂，造价较高等不足之处。

SICOLAB在设计生物医学研究实验室的时候，要考虑许多因素，也要做出许多决定。

实验室的使用者、管理者和设施的设计者必须提供足够多的信息，以便在设计过程中及时地做出正确决定。

最后，这将会节约时间并减少因问题重现而带来的经济损失。

各成员间的交流是生物医学实施设施设计成功的关键。

每个实验室都是独一无二的，没有任何设计方法可以在不付出足够的时间，努力和思考的情况下就可以成功的。

成功的设计方案要既符合本实验室的特殊要求，又符合实验室的各种基本要求。

这样的实验室才能既达到目前专门的功能要求，又能胜任未来的工作需要。