生物安全四级实验室(BSL-4)防护区范围及气密性要求的国内外对比

摘 要:

四级生物安全实验室是生物安全防护等级要求最高的实验室,所涉及的病原微生物通常能使人或动物感染严重疾病,并有极强的传染性,发病后缺乏有效的治疗措施。防止该类病原微生物从实验室防护区向周围环境扩散是确保实验室生物安全的关键措施之一,而实验室防护区围护结构气密性是实验室与外界环境隔离的物理基础,是生物安全可靠性的重要保证。

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引言

四级生物安全实验室是生物安全防护等级要求最高的实验室,所涉及的病原微生物通常能使人或动物感染严重疾病,并有极强的传染性,发病后缺乏有效的治疗措施。防止该类病原微生物从实验室防护区向周围环境扩散是确保实验室生物安全的关键措施之一,而实验室防护区围护结构气密性是实验室与外界环境隔离的物理基础,是生物安全可靠性的重要保证。

目前我国已建成大量三级生物安全实验室(以下简称P3实验室)及部分四级生物安全实验室(以下简称P4实验室),初步积累了该类实验室的设计、建设和检测验收经验,促进了现行国家标准GB19489-2008(实验室生物安全通用要求》(以下简称GB19489)和GB50346-2011《生物安全实验室建筑技术规范》(以下简称GB50346)的执行力度,但也出现了对P4实验室防护区范围和围护结构气密性要求的不同观点和理解。

本文对比分析国内外相关标准有关防护区范围及气密性要求,结合现有P4实验室的设计理念和建设要求,探讨GB19489对我国P4实验室防护区气密性要求的必要性,并给出相关建议,以期能为我国P4实验室的建设提供参考。

一、国内外标准要求

(一)国外标准

1、加拿大

加拿大于2015年3月11日颁布了《加拿大生物安全标准》(第2版)(以下简称加拿大标准),该标准给出了防护区围护结构气密性要求和测试方法,验收评价依据为:对防护屏障进行连续2次的-500Pa压力衰减法测试,均应满足20min内自然衰减的气压小于250Pa的要求。防护屏障是指防护区内清洁区与污染区的边界,对P4实验室而言,人员进出口处的边界为淋浴间,即内防护服更换间不属于防护屏障。

防护区是指实验室区域内生物安全风险相对较高,需对实验室的平面设计、围护结构的气密性、气流,以及人员进入、个体防护等进行控制的区域。防护屏障与防护区的识别至关重要,决定了人员和物品进出口节点设置、气密门的设置,以及个人防护装备穿脱位置,一般情况下应在设计阶段予以明确。

加拿大标准指出,P3和P4实验室的防护区包括专用实验室区、独立动物房、动物小隔间以及专用辅助区域(包括前室,如淋浴间、内防护服更换间和外防护服更换间)。

生物安全四级实验室(BSL-4)防护区范围及气密性要求的国内外对比

图1 P4实验室防护区(穿正压防护服)示例图

2015年3月出版的《加拿大生物安全手册》(第2版)(以下简称加拿大手册)给出了一个P4实验室防护区示例图,如图1所示。图中粗线范围内为防护区,通过前室(如图中的内防护服更换间、动物/物品前室、双扉高压灭菌锅)与外界连接。可以看出防护区内属于高风险污染区。人员离开防护区需要经过化学淋浴消毒灭菌,污物离开防护区需要经过双扉高压灭菌锅消毒灭菌,此时防护区外生物安全风险相对较低。

2、美国

美国截至目前尚无生物安全实验室设计、建设、调试、运行与维护方面统一的国家标准,各生物安全实验室的建设依据当地的标准或法规。美国《微生物与生物医学实验室生物安全》(Biosafetyin microbiological and biomedical laboratory,BMBL)给出了生物安全实验室设计、建设与运行要求,但BMBL属于指南,对各实验室的约束力有限。据不完全统计,在美国注册登记的高等级生物安全实验室(P3和P4实验室)数量从2008年的1362间上升至2010年的1495间。美国政府问责局(USGAO)调查了美国高等级生物安全实验室的建设和管理现状,发现美国疾病控制中心的P4实验室曾发生过电力中断而造成生物防护屏障失效的问题,认为任何一个实验室都不存在零风险,随着实验室数量的增多,风险的积累可能会使国家的总体生物安全风险增加。因此,USGAO分别于2009年和2013年2次向政府相关部门提交报告,强烈建议制订统一的高等级生物安全实验室国家标准。

BMBL指出,人员退出正压服型P4实验室需要依次经过化学淋浴间、内更衣间、淋浴间、外更衣间;对于安全柜型P4实验室,顺序同上,只是少了化学淋浴间。

BMBL对P4实验室防护区围护结构有密封要求,对气密性指标及测试方法未予以说明,但在附录D农业病原微生物安全要求中明确指出了BSL-3-Ag实验室(三级安全农业实验室)防护区围护结构的气密性要求,推荐测试方法为ARS facilities design manual(美国农业科学研究院建筑设施设计手册,以下简称ARS手册)的附录9B给出的压力衰减法。

BMBL的附录D指出防护区的设计与建设应按一级防护屏障考虑,进入防护区的人员路线包括“洁”更衣间、淋浴问、“污”更衣问,可以看出防护区的边界在淋浴间。人员离开实验室(指离开核心工作间)的操作步骤为:脱“污”实验服、淋浴、穿“洁”实验服离开高污染风险区;当需要离开该实验室设施(指离开实验室区域)时,操作人员将在控制通道进行另一次淋浴,然后穿上自己的衣服离开。ARS手册附录9B-4给出了防护区房间或围护结构的气密性要求及测试方法,验收评价依据为连续2次(中间间隔20min)-500Pa的压力衰减法测试均满足20min内自然衰减的气压小于250Pa的要求。

3、澳大利亚/新西兰

澳大利亚/新西兰于2010年9月17日颁布了澳大利亚/新西兰标准《实验室安全第三部分:微生物安全与防护》嘲(以下简称澳新标准),该标准第5.5.2节和第6.7.3节分别给出了四级生物安全实验室(BSL-4实验室)和动物四级生物安全实验室(ABSL-4实验室)的建筑要求,第5.5.2.1条和第6.7.3.1条的c)均指出淋浴间外侧门构成了实验室防护边界以用于消毒灭菌,第5.5.2.1条和第6.7.3.1条的e)指出双扉高压灭菌锅外侧门应开在防护(设施)区外,与防护(设施)区围护结构一起密封。

可以看出澳新标准有关防护区的定义与加拿大标准基本一致。澳新标准在附录H中给出了防护区围护结构气密性要求,指出气密性要求与病原微生物泄漏风险、空间消毒气体泄漏风险等因素有关,在H5节给出了防护区围护结构气密性要求的确定方法,在H6节给出了实际应用标准要求,对P3和P4实验室而言,推荐的最大泄漏率为10-5m³/(Pa·s),测试方法为200Pa恒压法测试,也可以采用-200Pa恒压法测试。另外,澳新标准指出气密性测试可以采用压力衰减法,但不容易满足要求。

(二)国内标准

GB 19489和GB 50346对P4实验室防护区定义及气密性要求有明确规定,如表1所示。

生物安全四级实验室(BSL-4)防护区范围及气密性要求的国内外对比

▲表1 我国标准有关P4实验室防护区定义及气密性要求

对表1进行分析可以看出:

1)GB 19489和GB 50346对防护区的定义不完全一致,GB 19489明确指出淋浴间、内防护服更换问、防护走廊属于防护区。

2)GB 19489对围护结构气密性有要求的是整个防护区,即包括了淋浴间、内防护服更换间、防护走廊,而GB 50346的气密性要求仅涉及主实验室。

3)GB 19489和GB 50346对P4实验室围护结构气密性测试方法的要求均是-500Pa压力衰减法,虽然GB 19489在第6.4.8条没有明确是-500 Pa还是500Pa压力衰减法,但在附录A.2.3.1中明确了是负压测试。

(三)国内外对比分析

1、加拿大、美国、澳大利亚/新西兰标准(以下简称加美澳标准)对P4实验室防护区范围的界定基本一致,即包括“洁”防护服(即内防护服)更换间、淋浴间、“污”防护服(即外防护服)更换间、化学淋浴间(安全柜型实验室没有该房间)、核心工作间。

2、加美澳标准对P4实验室防护区气密性要求的区域基本一致,即包括淋浴间、外防护服更换间、化学淋浴间(安全柜型实验室没有该房间)、核心工作间。GB 19489看似多了内防护服更换问,其实该标准只要求外防护服更换间为气锁(第6.4.3条),而在实践中淋浴间和内防护服更换间通常是一体设计的,所以GB 19489实际上并未提高要求。在气密性测试及评价方法方面,加拿大、美国的测试及评价方法相同,均采用连续2次-500 Pa压力衰减法进行评价,而澳大利亚/新西兰的测试方法为200 Pa恒压法测试,正负压测试条件均可,相对来说澳大利亚/新西兰对气密性的要求比加拿大、美国偏低。

3、澳新标准对P3实验室防护区围护结构气密性有恒压法测试要求。

4、我国GB 19489对防护区的定义比加美澳标准多了防护走廊,但并未明确定义防护走廊。对防护走廊的理解可参见图2。防护走廊、外防护服更换间和沐浴问可综合理解并设计。核心区墙上的传递窗或渡槽的另一口端应在防护走廊内。

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▲图2 一种减小防护走廊的P4实验室防护区(粗线区域)布局

由于内防护服更换间、淋浴间一般面积较小,且其围护结构往往只有2道门,气密性要求相对比较容易实现;但目前实验室建设的防护走廊一般面积较大,且其围护结构往往有多道门,有的甚至设置10~20道门,所以问题的焦点在于防护走廊的气密性要求。

GB 19489要求P4实验室的核心工作间应尽可能设置在防护区的中部(标准第6.4.5条要求。国外标准的要求也是如此),并不要求防护走廊必须是环形防护走廊。防护走廊应是核心工作间和辅助工作区之间的屏障,所以在设计时应仔细评估风险及安排防护区布局,避免防护走廊过大而带来气密性测试困难。

图2显示了依据GB 19489第4.4.2条的要求所建议的一种P4实验室防护区布局,可以看到在该布局中尽量减小了防护走廊的面积。对GB 19489的正确理解是,P4实验室防护区的建筑质量是相同的,外防护服更换间为气锁,淋浴问、内防护服更换间不要求门的气密性,进人防护区的门应该是气密性的。GB 19489要求辅助工作区设清洁衣物更换间(更换自己的衣物)和监控室,人员通过清洁衣物更换间进入P4实验室防护区。加拿大标准也明确要求人员必须通过一个专门设置的前室进入P4实验室的防护区。

为了工作方便,我国标准规定可以设置传递窗(见图2)或渡槽,实际上形成了通道,泄漏的概率增加,因此,防护走廊气密性要求并不是多余的规定,也不存在建筑上或测试上的技术问题。

二、 防护区的建设要求及国内现状

(一)盒中盒设计理念

GB 19489给出的P4实验室主要包括2种类型:一种是适用于4.4.2的P4实验室(俗称安全柜型P4实验室),使用Ⅲ级生物安全柜或相当的安全隔离装置操作致病性生物因子,不要求配备生命支持系统和正压防护服;另一种是适用于4.4.4的P4实验室(俗称正压服型P4实验室),配备生命支持系统和正压防护服,可使用Ⅱ级生物安全柜或相当的安全隔离装置操作致病性生物因子,同时必须具备对正压防护服进行消毒的化学淋浴间。正压服型P4实验室是目前最常见、应用最广、防护级别最高的一类实验室。

根据目前各国P4实验室的建设经验,盒中盒的设计和建设理念被广泛接受,如图3所示。

生物安全四级实验室(BSL-4)防护区范围及气密性要求的国内外对比

▲图3 P4实验室平面(布局,盒中盒结构)示意图

盒中盒是立体概念,水平防护可通过防护走廊、功能间等实现,在竖直方向可通过设备层和污水处理层实现,国际上大多数实验室采用3层或更多层的结构,如图4所示。图4所示建筑为3层:中间层为实验层;下层为污水、污物处理设备层;上层为空调、净化设备及管道层,其中的空调设备层又做了局部4层。

生物安全四级实验室(BSL-4)防护区范围及气密性要求的国内外对比

图5 日本国立卫生研究所安全柜型BSL-4实验室平面图

图5为日本国立卫生研究所的安全柜型BSL-4实验室平面图,红色框内区域为加美澳标准规定的防护区,橙色框内区域可视为GB19489规定的防护区.体现了生物安全实验室的物理屏障和盒中盒的防护理念,明确了生物安全实验室防护边界的设置原则,有利于指导实验室的设计、建设和管理。走廊的优点是便于实验室之间及与防护区外部功能间的物流往来,提高安全系数。

(二)防护区建设要求

实验室正常运行时,靠气压密封,即所谓动态密封;在故障、停运、熏蒸消毒、事故等时,靠结构的物理密封保证与外界的隔离,即所谓静态密封。

各国标准对防护区围护结构气密性要求并未达到绝对不泄漏,某些情况下泄漏难以避免,从安全角度考虑,本着主动防御、增加安全系数的原则,基于我国缺少P4实验室设计、建设、验收和运行管理的实际国情,GB 19489增设防护走廊这一次级防护屏障且对其围护结构气密性提出要求是必要的。

三、讨论

(一)经济性分析

我国已建成大量P3实验室及部分P4实验室,表2给出了两者投资概算对比分析,表中的ɑ~h为P3实验室各专业投资额,以其作为基数,i为P4实验室正压防护服、化学淋浴间等的投资。

生物安全四级实验室(BSL-4)防护区范围及气密性要求的国内外对比

▲表2  P3和P4实验室建设初投资概算对比

从表2可以看出,P4实验室的初投资是P3实验室的数倍,而P3实验室建设初投资又是常规实验室投资的数倍,用巨额投资来形容P4实验室的建设并不为过。相比较来说,保证P4实验室防护走廊气密性的初投资就微不足道了,防护走廊这一次级防护屏障的气密性对于降低病原微生物外泄风险有事半功倍的效果。特别是在我国,没有P4实验室的建设、使用、维护经验,围护结构的气密性本身达不到零泄漏,在建筑材料、施工工艺、施工监理、认可等方面缺少可靠性资料,比如,我国的P4实验室建设周期相对较短或缺乏对建筑本身的研究,达不到国外一些实验室自然形变控制的要求等,因此,未知的、不可控的风险依然存在,在这种状态下,采取相对保守的防护原则是必要的。毕竟,生物安全四级风险是社会不可接受的风险。

从我国政府的财政能力看,完全可以负担更加安全的生物安全实验室的投资,且符合国家的整体利益和长远发展的需求。

(二)立足国情

P4实验室对我国是新生事物,建设者和使用者均无经验。我国实验室多为从事疾病控制的综合性实验室,所研究的对象不确定性大,因而要求实验室的适用性广,为确保安全,GB 19489的要求比国外的同类标准更细致和明确。生物安全四级实验室源性感染是不可接受的风险,采取相对保守的措施更符合我国国情。

应注意,日本的BSL一4是生物安全柜型的细胞或小动物水平的生物安全实验室,仍采用了有密封要求的环形走廊作为补充防护措施。即便如此,由于民众的长期反对,该实验室声称从未从事过P4水平的实验室活动。

国外也有部分实验室不是严格按照上述原则建造的,而是通过加强管理达到安全运行的目的,例如采取定期验证、严格限定实验活动等措施。国外多要求P4实验室每年进行重新验证。比如,法国里昂的P4实验室要求每6个月由生物安全团队检测实验室的气密性,每年由专业公司进行整个实验室和各管道的气密性检测,从控制成本的角度看,这种方式的运行成本将会大大增加。目前的压力和泄漏标准只能认为是建筑质量指标,是否足以确保生物气溶胶或危险气体不造成危害仍需进一步研究。Pike对3291例实验室相关感染事件进行了统计,可查明原因的只有18%,原因不明的达82%。在实验室消毒、送排风系统异常等情况下难以保证防护区内不出现正压或定向流紊乱,此时,如果防护区围护结构的气密性不好就会有较大的安全隐患。从国外P4实验室的运行实践看,P4实验室的事故时有报道,说明国外P4设施或管理方面仍存在较大的安全漏洞,国外的标准并不是“金标准”,在科学上仍存在探索空间。从风险管理的角度看,纵观历史上一些重大的生物安全、核安全等灾难,对于像P4实验室这样的国家重大基础设施,在财力许可的情况下,应采取保守的风险控制策略。

澳新标准对P3实验室防护区围护结构的气密性也有恒压法测试要求,而我国、美国、加拿大仅对开放饲养动物的P3实验室有气密性测试要求,说明围护结构的气密性十分重要。一个国家的技术标准与国家整体水平、人员能力、监管模式密不可分,应根据发展水平、风险偏好建立适合自己国情的标准。

四、结论

1、P4实验室对我国是新生事物,建设者和使用者均无经验,未知的、不可控的风险依然存在。生物安全四级风险是社会不可接受的风险。从我国政府的财政能力看,完全可以负担更加安全的生物安全实验室的投资,且符合国家的整体利益和长远发展的需求。在这种状态下,应采取相对保守的防护原则。

2、GB 19489对防护区范围和围护结构气密性的要求比国外同类标准或指南文件更细致和明确。在设计P4实验室时,应仔细评估风险及安排防护区布局,避免防护走廊过大或门过多而带来气密性测试困难。GB 19489并未明确定义防护走廊,对防护走廊的理解可参见图2,防护走廊,外防护服更换间和沐浴间可综合理解并设计。核心区墙上的传递窗或渡槽的另一开口应在防护走廊内。

3、从国外P4实验室的运行实践看,P4实验室的事故时有报道,说明国外P4设施或管理方面仍存在较大的安全漏洞,统一、适合国情的国家标准和现代的生物安全技术对于高等级生物安全实验室的建设、运行、维护、管理是非常必要的。

4、目前我国特别需要积累实验室设计、建筑材料、施工工艺、施工监理、认可等与P4设施长期运行可靠性相关的资料,而不是急于考虑降低标准的安全要求。

    日期:2018年09月07日  分类:其 它
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