动物生物安全二级实验室建设探讨

徐守振，李 超

（1.青岛农业大学动物医学院，山东青岛 266109；2.中国动物卫生与流行病学中心，山东青岛 266032）

1 实验动物设施介绍

实验动物设施是指以研究、试验、教学、生物制品、药品及相关产品生产、质控等为目的而进行实验动物实验的建筑物和设备的总和，实验动物设施环境分为普通环境、屏障环境和隔离环境[1]。采用清洁级以上的实验动物进行的兽用生物制品免疫攻毒试验，需要使用负压屏障系统。为满足实验需要，设计和建设了一个动物生物安全二级实验室（animal biosafety level 2 laboratory，ABSL-2），可进行《人间传染的病原微生物名录》中生物安全二级及以下的感染性动物实验[2-3]。该ABSL-2的建筑面积约700 m2，位于地下一层，土建层高为6.5 m，设施设计为双走廊模式，属于新建实验动物设施，实验动物设施内的温度、湿度、照度、噪声、洁净度等环境参数指标均参照实验动物国家标准中屏障环境的要求进行设计，该设施建设定位为ABSL-2，并以此为标准，参照生物安全实验室建筑技术规范和实验室生物安全通用要求进行建设[4-5]。

2 设施设计要点

2.1 送排风系统

送排风系统对于保持ABSL-2的正常运转是非常重要的，尤其是压力的维持。外界新风经过初效、中效，高效三级过滤后进入房间。饲养间内的废气经初效和中效过滤器处理后经高效过滤器过滤，经废气处理装置处理后排出，此外，排风高效过滤器需要满足原位检漏的要求[6]。送排风机组采用“一用一备”的方式，以保证当单台风机出现故障时，备用风机可自动切换，维持设施正常运转。排风管道内设置止回阀，防止气体倒流污染屏障环境。为了保证室内送风口和排风口的位置使气流停滞的空间降到最小，设施内房间的送排风采用了上送下排形式（顶送下四角排风）。此外，我们在设计风量时还考虑到了ABSL-2中的生物安全柜、独立通风笼具等压力设备的通风量。

2.2 换气次数

屏障设施国标要求换气次数大于15次/h，本项目设计换气次数为25次/h。设计标准大于国标，使用中更灵活，另外对于ABSL-2的压力更容易控制，可在设施启用时根据使用情况调节换气次数，从而节约运行费用。

2.3 压力梯度控制

ABSL-2要求气流必须从清洁区流向污染区，半污染区流向污染区 。本项目设计的压力梯度思路主要是为了防止交叉感染，既要保护设施，又需要保护实验动物及饲养操作人员的安全。压力梯度设计思路：ABSL-2中清洁走廊的压力高于污染走廊，污染走廊的压力高于饲养间，按照清洁走廊（-15 Pa）→饲养间（-30 Pa）以及污染走廊（-20 Pa）→后缓冲（-25 Pa）→饲养间（-30 Pa）的压力梯度和空气流向，密闭门开向压力较高的房间或走廊，解剖室和灭活前室的压力均设置为-30 Pa，洁物暂存间的压力均设置为-5 Pa。与普通实验动物设施不同的是，本项目的缓冲间设计为后缓冲而不是前缓冲，以减少不同感染实验的交叉污染。后缓冲与相邻房间的压力梯度仅设为5 Pa，原因基于两点考虑：一是为满足空气定向流要求，后缓冲与相邻房间的压力梯度仅设为5 Pa，这样设计不致使动物饲养间的负压太大，满足了GB50447-2008实验动物设施建筑技术规范中对于加强型ABSL-2的绝对压差不大于-30 Pa的要求。二是设置缓冲间的目的除了缓冲作用，也兼备操作间的功能，因此本设施的后缓冲间与饲养室均为主功能区，但后缓冲与饲养间相比，较为清洁，故设置5 Pa的压力梯度，同时，饲养间与清洁走廊、污染走廊的压力差分别为15 Pa和10 Pa，满足GB50447-2008的相应要求，实验室布局见图1。

3 生物安全控制

3.1 布局设计

ABSL-2主要遵循物理隔离的建筑技术原则，在设计中既要充分的考虑到人流、物流进出通道，又要考虑到污染区（动物饲养实验间）、半污染区、清洁区平面布局合理，又要保证气流的有序流向[7]。本项目设计采用双走廊的模式，设施由清洁区、半污染区、污染区组成，在半污染区和污染区之间设置退出缓冲间，其作用是为了防止污染走廊的病原体进入饲养室。

3.2 病原微生物控制

严格按照生物安全实验室分类进行实验，保证不做任何超过二级生物实验室要求之外的病原微生物实验；所有的污染物品如废弃物品、笼具、动物尸体经无害化处理后才运出动物设施[8-9]。房间及走廊的消毒设备拟采用过氧化氢消毒或其他有效消毒措施，操作在生物安全柜或隔离器内进行，人员退出设置强制淋浴。

3.3 生物安全柜的选择

生物安全柜的目的是为了防止操作者和环境暴露于实验过程中产生的生物气溶胶，本设施选用了生物安全柜A2型，A2型生物安全柜的特点：安全柜内的所有生物污染部分均处于负压状态或者被负压通道和负压通风系统环绕，污染气流经过高效过滤器过滤后可以排到实验室中[10]。

图1 动物生物安全二级实验室平面布局

3.4 笼具的选择

动物负压独立通风笼具及动物负压隔离器即具有独立的送排风装置，在ABSL-2内使用负压隔离器能有效的防止环境、动物与人员之间的交叉感染，同时使动物实验的结果更准确和可信[7]。ABSL-2最好选用负压通风笼具或负压隔离器。SPF鸡的笼具可以选用鸡隔离器饲养，而啮齿类动物在ABSL-2选定IVC还是EVC笼具，是一个值得探讨的问题。本项目设计饲养的啮齿类动物拟采用EVC笼具饲养。EVC的笼盒间相互独立，采用单方向负压通风，防止笼盒间的交叉污染，即使笼具可能存在的微量泄漏，也是由ABSL-2中通过微缝进入笼盒的，这些都保证了实验室人员的安全。IVC的优点在于有独立的送排风系统，笼盒相互独立，采用三级过滤，笼盒内气流设计上进上排，安全可靠，笼盒内设有一个闭气装置的进排气阀，在笼盒脱离笼架时保证笼盒内空气洁净度，同时还设有生命气窗，保证动物安全；缺点是IVC笼具内废气含量高、噪音大、空间利用率不高、尤其是较长时间的停电后，需要人工开放生命窗。EVC笼具系统采用单通道直排式送排风，直接通过机架排风管道与屏障环境中央排气系统相连接进行送排风，可以有主机或无机动力，增加了进风口的横截面积，在保证进风量的基础上减缓了风速，不会对动物产生吹冷风效应，进风口和出风口分置笼盒两端，并采用梯形设计，确保笼盒内空气无乱流，提升了换气效率。整个笼盒系统对房间是负压，无传统IVC的气体泄漏问题，减少交叉污染概率，有利于使用人员身体健康。在断电的情况下，动物不会窒息死亡，整个系统无风机，减少了对动物产生影响的噪声和振动源，节约了电力成本，实验动物机构可以根据自己设施的状况来进行选择。

3.5 废气处理

实验动物设施的废气中含有大量的氨气（NH3）和硫化氢（H2S），刺激性气味较大，通常使用的活性炭吸附、水喷淋吸收、紫外光分解等臭气消除技术有一定局限性。本项目的废气处理设备设计采用“光催化+气液扰流”原理的废气处理设备[11]，被处理废气先经过光催化模块，微生物、可挥发有机物（VOCs）、NH3、H2S等成分被分解，然后转为竖向进入喷淋模块，光催化分解产物、可悬浮颗粒物、臭氧等被水吸收，再经过折流除雾，将水气分离，净化后的清洁空气由装置顶部排出，所测指标均低于《恶臭污染物排放标准》（GB14554-93）相应限值规定再排放。

3.6 废水处理

目前处理生物实验室中废水的主要方法是热力消毒灭菌或化学药剂消毒灭菌法[12]。ABSL-2产生的废水，包括人员退出淋浴室的废水、解剖室和灭活前室等产生的可能具有生物活性物质的废水、用于废弃物处理的高压灭菌柜产生的冷凝废水等。因考虑热力消毒灭菌法对生物活性废水的灭活效果更为确实，为了有效的解决生物废水问题，本项目设计采用了热力消毒灭菌方法：所有的生物活性废水均通过专门的管道收集后进入废水灭活设备的收集罐，再由收集罐排放至废水灭活设备的灭活罐进行灭活。灭活冷却后的废水进行检验，检验合格后排放至污水处理设备进行处理，处理合格后排至市政污水管道。

3.7 解剖间及动物尸体处理

在感染性动物实验设施中，解剖室是一个重点污染部分，从动物的保定与麻醉、解剖及取材到实验结束后动物安乐死及尸体的处理，都渗透着实验室生物安全防护的各种要素[13]，故其生物安全防护更为关键。解剖室应与饲养间分开，但距离不宜太远，以便于动物传递[14]。解剖室与灭活前室间采用传递窗的形式传递，解剖完动物尸体以减少污染的可能性。解剖室内设置负压解剖台，可通过局部排风直接将有害气体收集并排出室外。动物的尸体解剖取样后，需要高压灭菌后才能传递出ABSL-2。

4 其他设计

4.1 彩钢板材质选择

本设施彩钢板选用了铝蜂窝夹心材质，由于本设施处于地下一层，建设地点处于沿海地区，湿度较大。我们在选择彩钢板材质时考虑到岩棉彩钢板易吸水，在比较潮湿的设施使用会缩短使用年限并易发生霉变。另外，在装修时切割岩棉夹心彩钢板易造成粉尘污染且不易散除，对人员健康不利。铝蜂窝彩钢板的优点是不易滋生细菌和发霉、重量轻安装方便，切割后不会产生大量粉尘而污染环境，但铝蜂窝夹心的彩钢板造价会高于岩棉夹心彩钢板，如果做地上设施，设施建设单位可以做综合评价再选择。

4.2 地面

本设施的地面设计采用了环氧自流平加薄层聚氨酯的方案，优点是美观，防尘，易清洁，耐化学腐蚀，具有一定的韧性，能耐一定重量的载荷，具有较好的抗压性及抗冲击性能，良好的耐划伤性，在施工时具有低温固化性能，零度以上即可，适用于北方冬季施工，快速干燥，良好的遮盖力等。单用聚氨酯可以达到实验动物设施想要的效果，但是整个设施造价会比较高，故本项目采用环氧自流平加薄层聚氨酯的方案。

4.3 高效过滤器

高效过滤器是生物安全实验室最重要的防护屏障，可有效阻止设施内的病原微生物进入外界环境[15]，但是高效过滤器的维护成本很高，设置在室内更换时又增加了污染风险。本项目设计排风高效过滤器时考虑到将将高效设置在排风机组而不是设计在每个饲养间，这样不仅极大的减少了高效的数量，又由于高效的更换在室外进行，减少了污染的可能性，同时减少了建设及维护成本，此外，我们在排风高效前又增加了初效和中效滤过器，排风初效和中效过滤器的设置有效的保护了高效过滤器，减少高效的更换频率，节约了成本。

5 讨论

在ABSL-2的设计和建设过程中，由于其特殊性，设计工作具有一定的难度，它既要达到符合国标要求的屏障环境级别条件，又要符合相应的生物安全防护级别要求[16-17]。事实上，它的设计，人员及设备的防护、职业健康，生物安全都是不可忽略的重要因素。ABSL-2需要将动物饲养、废弃物处置等过程产生的潜在生物危害进行全方位的安全防护[18]，采用必要的安全防护设备以及对实验动物操作人员进行直接保护的个人防护用品等。

ABSL-2的生物安全防护是非常值得关注的问题[19]，在实验动物设施建设规划时就必须先考虑建筑上的结构特征、位置、房间布局等[20-21]，ABSL-2的负压控制是实验室安全的核心，有序的压力梯度，合理的压差值是污染不至扩散的前提，此外，室内送风、排风设计及各种设备的合理布置是形成合理的室内气流组织的关键[22-23]。ABSL-2压力的维持很重要，为满足空气定向流要求，我们将饲养间与后缓冲的压力梯度仅设为5 Pa，饲养间与走廊的压差仍保持为10 pa。这样不致使动物饲养间的负压太大，影响房间门的开启。

需要强调的是，ABSL-2往往被当作三级生物安全设施来装备，过度的要求及建设造成无谓的花费，这要求建设者熟悉生物安全等级及相关保护规则，既要做到保护设施、人员和动物，又不过度防护。