周权等：大动物生物安全三级实验室内防护区边界分析

大动物生物安全三级实验室内防护区边界分析

中国建筑科学研究院有限公司 周权 冯昕 曹国庆 梁磊 张彦国

            中国农业科学院哈尔滨兽医研究所 吴东来 关云涛 吴新洲 王栋

中国农业科学院兰州兽医研究所 李晓斌 唐江山

摘  要：本文通过对比加拿大和我国的生物安全实验室标准，以及工程实例，分析了生物安全防护区的差异，建议规范增加大动物生物安全三级实验室内防护区的概念，进而提出了对GB50346中4.1.4和4.2.5条修改的建议。

关键词：生物安全实验室、内防护区、边界

Boundary analysis of containment zone in large animal biosafety level III laboratory

Risk analysis of aerosol transmission among biosafety laboratories

China Academy of Building Research Zhou Quan, Feng Xin, Cao Guoqing,

Liang Lei and Zhang Yanguo
 

Abstract: By comparing the standards of biosafety laboratories in Canada and China and engineering examples, this paper analyses the differences of biosafety protection zones, proposes to standardize the concept of three-level laboratory protection zones for biological safety of large animals, and then puts forward suggestions for amending 4.1.4 and 4.2.5 items of GB50346.

Keywords: Biosafety laboratories; Inner containment zone; Boundary

  1   引言  

根据世界动物卫生组织（OIE, World organization for animal health）发布的“非洲猪瘟（ASF）全球形式”，2016~2018年期间，全球共爆发了1764起非洲猪瘟疫情，涉及家畜819644只，其中包含我国29起非洲猪瘟疫情，涉及家畜45328只。[1]在艰难的抵抗百年之后，我国成非洲猪瘟的疫区，虽然非洲猪瘟不是人蓄共患病，但对于我国这样一个生猪存栏量超过5亿头的国家来说，非洲猪瘟无疑是对生猪养殖业造成了灾难性的打击。为了能够有效的控制和预防高致病性、高死亡率的病菌传播，科学家们需要对这些病菌做细致的分析和研究，大动物生物安全实验室便由此而生。

经过这些年的发展，在美国疾病预防控制中心注册的生物安全三级实验室，由415个（2004年）增加到1495个（2011年）。[2]截止到2017年10月，我国已有近百个高等级生物安全实验室建成，其中通过CNAS认可的三、四级实验室共有55个，从数量上看，我国与欧美发达国家相比，还有很大的差距。[3]2016年11月，国家发展和改革委员会、科技部联合发布了我国《高级别生物安全实验室体系建设规划》（2016-2025），为我国高级别生物安全实验室的下一极端的发展指明了方向、明确了任务、完善了保障机制。

图1 防护控制概念示意图【ISO 14644-4-2001】

通过防护屏障和管理措施，达到生物安全要求的微生物实验室和动物实验室，这是我国《生物安全实验室建筑技术规范》GB50346对生物安全实验室的定义。生物安全实验室的屏障分为两级，操作者和被造作对象之间的隔离称为一级屏障；生物安全实验室和外部环境的隔离称为二级屏障。我们这里讨论的是二级屏障，生物安全实验室和外部环境的隔离。如图1所示，技术人员采用各种方法和技术措施，竭尽全力去控制进出这只“重壳蟹”的各种物质，其中包括人员、服装、器材、空气、水，甚至是阳光。严格控制各种物质进出生物安全实验室，有两层含义，首先防止进入实验室的物质会影响实验结果的准确性，其次是防止实验室内的有害物质“逃逸”出去，对自然环境造成生物安全危害。既然是“重壳”，就意味着存在着一个或多个边界来划分我们的生物安全实验室，尤其是大动物生物安全实验室，防护边界的划分，对实验室的SOP（Standard Operating Procedure）、PPE（Personal Protective Equipment）、运行管理、投资造价等等都有较大的影响，因此对生物安全实验室具有相当重要的意义。

  2  规范要求  

在我国的规范中没有防护边界的定义，取而代之的是“实验室防护区”，即指生物风险相对较大的区域，对维护结构的严密性、气流流向等有要求的区域。在《生物安全实验室建筑技术规范》GB 50346的4.1.3~4.1.5条中，都详细给出了不同级别及相同级别不同类型生物安全实验室的防护区所包含的房间，如下表1所示。

表1 GB50346实验室防护区所包含房间

从上述表格中可以看出，只是在设有生命支持系统的四级生物安全实验室，化学淋浴在被列入防护区的范围内，动物生物安全三级实验室的淋浴间未准确说明所属区域。

根据《加拿大生物安全标准》第二版[4]，名词解释中相关的条文，“Containment barrier”，可译为“防护屏障——干净区域与污染区域的边界（即实验室工作区域、动物房、动物隔离间、解剖间与非防护区之间的界限）。在边界上须保证气流向内的气流方向，应设置空气的物理防护屏蔽，用以防止空气传播或气溶胶传播的传染性物质或毒素进入干净区域”。根据以上定义，《加拿大生物安全手册》第二版（Canadian Biosafety Handbook, Second Edition）中给出了大动物生物安全三级实验室的示意图。

图3大动物三级防护区示意图[5]

图3，大动物三级防护区示意图，图中明确将大动物饲养间及污染更衣区、淋浴均划定为防护区。《加拿大生物安全手册》中关于防护区还有更细致的分类，图中黑色阴影线所包含的区域为防护区，蓝色虚线区域为“内防护区”。我国生物安全实验室相关规范中并没有相应的分类，也没有明确的示意图帮助设计师们深入的理解。根据对图3的理解，内防护区应包含：淋浴（Shower）、防护服更换（Dirty Change Area）、饲养间（Animal Cubical）、污物走廊（Dirty Corridor）、动物入口（Animal Entry）。

我国生物安全实验室可由防护区和辅助工作区组成，而加方将防护区内部生物危险更高的区域划分为内防护区。加方打压边界在哪里？

  3   工程实例分析  

中、加两国的生物安全实验室规范的差异，致使两国建成的生物安全实验室必然存在一些不同之处，下面我们通过两个实例来进一步说明。

图4 某大动物生物安全三级实验室核心区示意图

如图4所示，我国某大动物生物安全三级实验室示意图，我国近些年建造的大动物生物安全三级实验室大多与此相似，01房间为更3，02房间为淋浴，03房间为更4，04房间为动物饲养间，防护区为网格填充区域，包括03房间（更4）、04房间（饲养间），参考GB50346中4.2.5条，“ABSL-3中b2类主实验室及其缓冲间和四级生物安全实验室主实验室及其缓冲间应采用气密门”，进出01房间（更3）的2套门均采用气密门（图中以符号标识的门为气密门），同样在进、出饲养间的门也均采用了气密门（动物从右上角的气密门进入饲养间，从左侧气密门进入污染走廊）。依据GB19489中6.5.1.2，“动物饲养间的门应有可视窗，向里开”，此动物房饲养间与相邻房间的门均设计为向内开启。

如上设计方式存在如下问题：1.实验室防护区仅包括03房间（更4）、04房间（饲养间），而02房间（淋浴）未被包含在防护区内，但是在大动物生物安全三级实验室内，实验人员的个人防护装备一般为一体式防护服+正压头套，并没有配备正压防护服，因此在02房间（淋浴）内仍然存在较高的生物安全风险；2. 实验室防护区包括03房间（更4）、04房间（饲养间），防护边界即为图中蓝色虚线所示，那么03房间（更4）与04房间（饲养间）之间的防护区内门就没有必要还使用气密门。

分析了我国的大动物生物安全三级实验室，接下来我们介绍一下，加拿大萨斯喀彻温大学国际疫苗中心的同类型实验室，此实验室2012年施工完成，2014年完成全部的认证投入使用。

图5 加拿大萨斯喀彻温大学生物安全三级实验室核心区示意图

如上图5所示，与我国的设置相类似，包括01房间（更3）、02房间（淋浴）、03房间（更4）、04房间（饲养间），防护区（蓝色虚线内部的区域）包括：02、03、04房间，图中以符号标识的门为气密门，经确认为充气式气密门。此大动物饲养间单元内充气式气密门共计3套，其中1套设置在淋浴入口处，动物进、出饲养间2套也是气密门。

此实验室与我国同类实验室，在防护区、防护边界、气密门的设置上有相同之处，也存在一定的差异。相同之处在于，人员入口都是3个辅助房间，即01房间（更3）、02房间（淋浴）、03号房间（更4），在防护边界上均设置了气密门、渡槽；不同之处在于：1. 将02房间（淋浴）设置为内防护区；2. 内防护区的内门采用普通门，而不是气密门；3. 动物进、出饲养间的门均向外开启；4. 在防护边界上未设置传递窗。

从以上两个大动物三级生物安全实验室的对比可知：

1. 气密门是保障围护结构气密性的关键防护设备，它也是确保防护边界连贯性的必要条件；

2. 建议内防护区包含02房间（淋浴），这样可以进一步的降低感染性微生物的扩散，有效的提高实验室生物安全防护能力，降低实验室生物安全风险；

3. 借鉴《加拿大生物安全手册》，建议我国规范针对大动物生物安全三级实验室，增加“内防护区”概念，其包含动物饲养间（核心间）、防护服更换间（或更4）、淋浴间、污染走廊；

4. 依据以上内防护区概念及防护边界的划分方法，02房间（淋浴）、03房间（更4）、04房间（饲养间）之间的门均可采用普通钢质门，即能够满足实验室生物安全要求，又能够降低建设及维护成本。

  4   结论  

本文通过对比中、加生物安全实验室标准及工程实例，发现大动物生物安全三级实验室防护边界的差别，分析了防护边界设置对实验室生物安全风险的影响。从《加拿大生物安全标准》和萨斯喀彻温大学国际疫苗中心的实际工程来看，将与大动物饲养相连的缓冲间及淋浴间均设置为内防护区，这种规定和做法既有利于降低实验室生物安全的风险，又能节约大动物生物安全三级实验室造价，优于我国标准中的相关条款，建议如下：

1. 增加内防护区概念及其防护边界的划分原则；

2. GB 50346中4.1.4条，ABSL-3中的b2类实验室内防护区应包含淋浴间；

3. GB 50346中4.2.5条，“ABSL-3中b2类主实验室及其缓冲间和四级生物安全实验室主实验室及其缓冲间应采用气密门”，修改为“ABSL-3中的b2类实验室和四级生物安全实验室的防护边界应采用气密门”。

 参考文献: 

[1]http://www.oie.int/fileadmin/Home/eng/Animal_Health_in_the_World/docs/pdf/Disease_cards/Report_1._Global_situation_of_ASF_Updated_191018.pdf

[2] Kaiser J.，Taking stock of the biodefense boom，Science. 2011 Nov 18;334(6058):905.

[3] 张彦国、曲怡然，国内外高等级生物安全实验室标准和建设概况，暖通空调，2018，48（1）：2-6

[4] Canadian Biosafety Standard (Second Edition)，XV，Public Health Agency of Canada，2015

[5] Canadian Biosafety Handbook (Second Edition)，30，Public Health Agency of Canada，2015