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探秘四级生物安全实验室

2020.3.04

同样的操作流程，高安全实验室较普通实验室有着更加严格的安全规范。在此规范下的工作和环境有何不同？不妨让我们走进菲利普斯大学病毒学研究所的高安全实验室做番了解。

位于德国马尔堡市的菲利普斯大学高安全实验室，又称“四级生物安全实验室”（BSL4），工程耗资1.14千万欧元，历时一年半（2005年11月~2007年6月）竣工，总面积达700m2，实验面积约280m2（见图2）。该实验室于2007年12月投入使用，其核心任务是研究高致病性病毒，包括研究病毒致病机理以及病毒疾病的诊断。诊断研究的对象主要是各种输入性病毒（如马尔堡、伊波拉、尼帕及拉沙）和新型病毒（如萨斯冠状）以及已灭绝病毒（如天花）引发的疾病。此外,实验室也开发一些候选疫苗的初级产品，以应对一些有潜在致病性的病毒。2009年H1N1（甲流）病毒流行初期，在诺华疫苗公司的合作下，该实验室成功研制出首株甲流疫苗。

可靠的密闭设计

菲利普斯高安全实验室是德国首家获得四级安全建造和经营许可的实验室。建筑的设计运用了最新的科技理念，实验室的密闭度和空调系统十分关键，必须保证杜绝一切高危操作对环境和人员的危害，尤为重要的是该密闭设计的核心——隔离区，即实验人员研究高致病性病毒相关工作的场所。隔离区的四壁是不锈钢面板，通过螺丝固定在不锈钢骨架上（见图3、图4），聚四氟乙烯密封材料保障其密闭性。该设计经正、负压测试后，确证完全可靠，适于建造密闭实验室。

图2. 菲利普斯大学高安全实验室（BSL4）。

多重保险的安全设施

实验室安全的相关设施众多，如：用于维持隔离区负压的空调系统、高压灭菌器、闸门、（病毒）灭活设备、水电热设施、压缩空气呼吸设备、消毒剂配制台、蒸汽发生器及防火设施等。为最大程度地保障人员和环境的安全，这些设施不仅要作为独立单元正常运行，其整体协调状况更要随时受到检查和监控。因此，精准的测量和调节技术显得尤为重要。早在项目规划期，相关人员就花了大量时间讨论可能出现的各种状况，并制定相应的应急措施，确保设备能在任何情况下正常运行。

所有安全相关设备都备有一个或多个备用件。若工作时突然停电，安全供电层级系统便会开启。由于隔离区可同时容纳4人工作，因此系统必须保证在停电后，4个人都有足够的时间安全、规范地撤离。

一旦停电，实验大楼里的应急发电机率先启动，只需几秒便能恢复对所有安全设备的供电。如果该发电机无法启动，则采取第二应急方案：启动隔壁楼的应急发电机。若此方案也无效，则用蓄电池保障所有安全设施的运行，实验室的供电足以坚持到外部应急电源接入大楼。停电时，实验室内的工作人员会接收到报警系统的提示，然后根据安全规范里的操作规定结束工作，撤离现场。万一这套多重保险的供电方案也完全失灵，压缩空气呼吸设备储备了足够的空气，可保障实验室人员的安全、规范撤离。

图3. 少量螺丝钉和聚四氟乙烯密封材料就实现了全防护区与环境的隔绝。

全身正压防护服

实验室的工作人员约有14名，其中有4人可同时身着全身正压防护服在实验室工作（见图1）。最初工作人员还热衷于身着防护服的工作，一段时间过后，多数人都意识到其种种不便。即便仅在防护服内穿着消毒裤和罩衫，也会感到穿上防护服比较热。此外，防护服的通气噪音还会带来干扰——为维持防护服的正压，每分钟有340L空气通过防护服，产生的噪音量相当于闹市街头，且十分单调。为此，防护服设有防噪耳机以避免工作人员受到噪音伤害。防护服的正压通风既保障了足够的新鲜空气，又利用气流带走了体热，但湿气会集结在防护服的内侧，让人感到不适。

工作人员需借助耳机上的麦克风与与隔离区的同事、安全保障人员以及利用视频全程跟踪他们的大楼技术人员保持联络，这对保障工作人员的安全尤为重要，能够快速地识别出人员所处的特殊状况。为做好各种状况的应对准备，隔离区一般都是4人在场，1人操作。小组成员均要接受培训，学习将同事救离隔离区的技能，并进行定期演练。

繁琐的操作程序

在二级生物安全实验室里对一个病毒培养基消毒耗时约1.5h，在BSL4里则需要3h。隔离区的工作则更加费时。工作人员要在第一道闸门换上消毒服，然后穿过第二闸门，在第三闸门仔细检查完防护服后才能穿上。同时要开启防护服的头部装置和无线设备，与安全保障人取得联络，确保通讯的正常。检查完防护服的正压后，经消毒淋浴才能进入隔离区。

图4. 隔离区人员可透过不锈钢面板看到窗外的风景。

由于在安全工作台的所有操作都要按照消毒计划执行，因此隔离区的工作更加费时，所有的实验废料需在隔离墙进行化学灭活处理和高压灭菌处理，才能拿到室外废弃。隔离区没有电话，同事间只在必要的时候才进行交流。工作结束后，要对所有仪器进行消毒，并妥善收藏所有材料后，工作人员才能进入消毒淋房对防护服进行6min的处理，洗澡后才能离开防护区。

BSL4的未来发展趋势

通过上述情况不难得出结论：高安全实验室的工作环境并不十分舒适，工作程序也相当繁琐而单调。为此，实验人员希望将工作流程自动化，目前正在尝试使用的滴定机器人，即可执行频繁而枯燥工作。滴定机器人不仅广受工作人员的青睐，也与实验室贯彻的安全理念相一致。至于较复杂的操作，目前实验室在尝试应用可遥控的活体细胞显微镜。该方案的可行性也很强，无需时刻身着防护服工作，也为科学家节省不少时间。自动化及远程遥控是高安全实验室的未来发展趋势，但由于成本高昂，目前还难以实现。

繁琐耗时的工作

在高安全实验室里身着全身正压防护服工作需要进行细致的准备工作。由于操作不便，繁琐的进入和撤离程序（更衣、防护服检查、消毒和清洁等）耗费了大量时间，因此四级安全实验室的工作时长通常是是二级实验室的两倍。

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