高等級生物安全實驗室消毒滅菌關鍵技術與設備

摘要：高等級生物安全實驗室主要研究和處理那些高度致病、傳播途徑不明或尚無有效治療方法的微生物，但研究過程中必須確保實驗人員和環(huán)境的安全，防止病原體泄漏。因此，做好高等級生物安全實驗室的消毒滅菌工作至關重要。

而隨著科技的進步和微生物學研究的深入，高等級生物安全實驗室的消毒滅菌技術和設備也在不斷發(fā)展和完善。本文就對現(xiàn)階段高等級生物安全實驗室消毒滅菌所使用的關鍵技術及相關設備進行研究分析，希望為消毒滅菌工作的開展提供助力。

關鍵詞：高等級生物安全實驗室；消毒滅菌；關鍵技術

    高等級生物安全實驗室（如BSL-3、BSL-4）作為研究高致病性病原體的重要場所，對于疾病防控、疫苗開發(fā)、生物安全策略制定有著重要作用，既承擔著科學探索的責任，也肩負著保護人類健康與生態(tài)平衡的重要使命。消毒滅菌是生物安全實驗室管理中不可缺少的一個關鍵環(huán)節(jié)，有助于防止實驗過程中發(fā)生交叉感染，保障實驗人員安全。有效的消毒措施能夠極大降低病毒、細菌等病原體的存活率，減少意外暴露的風險，從而為科學研究創(chuàng)造一個安全可控的環(huán)境。

一、高等級生物安全實驗室消毒滅菌關鍵技術

（一）物理消毒法

1.高溫滅菌

高溫滅菌是實驗室極為常用的消毒滅菌技術，可分為濕熱滅菌與干熱滅菌兩種類型。壓力蒸汽滅菌利用加壓下的大量高溫蒸汽進行殺菌，可摧毀微生物蛋白質結構，能夠快速有效地使各類微生物滅活，包括細菌芽孢等頑固形態(tài)，是一種高效的生物去污手段。實際應用時，在0.1034MPa的壓力條件下，容器內部可升溫至121℃，并在此溫度下持續(xù)30至60分鐘，以確保所有類型的微生物被徹底清除[1]。為了確保滅菌成功，需注意兩點：一是物料必須與蒸汽充分接觸，二是避免空氣殘留，這兩點對于達到無菌狀態(tài)至關重要。壓力蒸汽滅菌技術廣泛應用于高等級生物安全實驗室，可用于設備消毒，也能處理生物危險廢棄物，展現(xiàn)出強大的滅菌效果，但需注意的是，該技術只能清除生物性污染，無法解決化學污染問題。

相比濕熱法而言，干熱滅菌需要更長時間或更高溫度方能達到同等的滅菌效果，但也有自身獨特的優(yōu)勢，在特定場景下發(fā)揮著重要作用，比如無需濕熱條件或是材質不宜浸泡的情況下。干熱滅菌技術主要應用于玻璃等非滲透性材質上，可使表面微生物滅活。常規(guī)的玻璃器皿干熱滅菌一般在160℃至170℃之間，持續(xù)2至4小時[2]，這樣就能確保大部分微生物被有效清除，但如果環(huán)境中存在淺層的有機或無機物質，由于這些物質會起到保溫作用，干熱的效果就會大打折扣。焚燒則是另一種高效的干熱滅菌方式，尤其適合廢棄物的終末滅菌與處理，不僅能銷毀污染物，還適用于微生物培養(yǎng)過程中的接種針、接種環(huán)這類工具的瞬間滅菌，并具有操作簡單快捷的優(yōu)勢，是局部滅菌的理想選擇。

2.電離輻射滅菌

輻射滅菌技術利用輻射破壞病原體的生物學活性，達到消毒滅菌效果，其中電離輻射滅菌技術常用到γ射線、X射線等，擁有強大的能量，能夠改變物質原子結構，尤其適用于小型實體、半實體或液態(tài)物體以及易受熱或化學試劑損害的材料。例如，對于溶劑、塑料制科研器械或特殊生物樣本，則適宜使用輻照滅菌方法，若采用其他滅菌方法會導致組織培養(yǎng)物等有機成分受損。電離輻照滅菌的效果好、效率高，但對于生物體具有較強的危害性，容易危害操作人員身體健康，因此通常并不作為實驗室常規(guī)滅菌手段，通常只應用于部分特殊場景下。實施電離輻照時，需先將待處理物質安置于專門設計的屏蔽室內，隨后將其暴露于特定時間內、預設劑量的γ射線下。這些高能射線源自鈷-60等放射性元素，可穿過物質，借由電子的移動向分子傳遞強效能量，致使微生物生存機能遭受破壞[3]。判斷γ射線滅菌成效的標準在于構建“致死曲線”，也就是“劑量響應曲線”，讓病原體承受設定劑量的γ射線照射后，再觀察培養(yǎng)情況評估存活率，以此驗證微生物是否已被有效滅活。

3.非電離輻射滅菌

    紫外線消毒是常用的非電離輻射滅菌技術之一，利用UV-C波段（波長介于250至270納米之間）對微生物DNA/RNA分子產生破壞作用，阻止其復制，進而達到殺菌效果。紫外線消毒可對空氣、水源及表面覆蓋的多數(shù)微生物產生強大滅殺效力，但其效果受光源強度、距離、照射時間等因素影響，同時塵埃、污垢或陰影的存在均能遮擋照射路徑，削弱UV燈光的效能，因此需合理布置光源，確保所有待消毒物品充分接受足夠劑量的輻射。在高等級生物安全實驗室中，紫外線消毒技術常用于空氣凈化系統(tǒng)，或對實驗室設備、臺面進行表面消毒，可滅活空氣中的懸浮微生物及器物表面附著的微生物和病原體，通常適用于日常清潔維護或突發(fā)狀況下的緊急消毒。在處理普通廢棄物時，也可采用UV光箱進行照射，預先殺滅可能存在的活性微生物，減少后續(xù)處理風險。在實際應用時需注意，UV光對固體障礙物穿透能力差，故只能作用于光線直射范圍內物體表面，并且UV光對人體具有一定危害性，直接暴露于UV-C光下會對皮膚和眼睛造成傷害，使用時需嚴格遵守安全指南，避免直接照射。    

（二）化學消毒法

1.液體消毒劑

    采用化學藥劑對非生物對象進行消毒滅菌是實驗室常用的消毒手段，其效果受到多種因素影響，包括目標微生物的類型與量、環(huán)境中的有機物含量、待消毒物質屬性以及化學品的接觸時限、作業(yè)溫度和溶液濃度等。例如，過氧化氫溶液在3%～6%濃度時，達到中、高水平消毒效果，當濃度達到6%～30%時，具有滅菌效果；甲醛溶液在1%～8%濃度時，具有中、低水平消毒效果，濃度達到6%～8%時，達到滅菌效果[4]。沒有任何一款液體消毒劑能在所有情況下對全部活體病原體展現(xiàn)一致的效力。為了提升效率，需評估化學制劑在非生物界面上的不同活性表現(xiàn)，精準選用最適合當前需求的消毒方案及其配比。在生物安全實驗室環(huán)境中，化學溶液主要用于對防水材質制成的固體物件進行表面清潔消毒，當采用恰當濃度時，也可用作液態(tài)廢棄物在排放至污水系統(tǒng)前的初步處理措施。此外，液體消毒劑也用于化學淋浴系統(tǒng)中，身著正壓裝束的研究員在退出BSL-4等級區(qū)域前，須經歷化學淋浴程序，借此對外部防護裝備實現(xiàn)有效消毒。實驗室消毒后的廢液則通過排水設施流入特設的廢水凈化系統(tǒng)接受進一步處理。在實驗室日常運作中，所選用的液體消毒劑需經過有效性驗證，確保其能夠對抗目標生物體，以保障消毒流程的安全可靠。

2.氣體消毒劑

除了采用液體化學藥劑進行消毒滅菌，高等級生物安全實驗室也常采用氣溶膠、蒸汽或氣體形式的化學藥劑，在特定溫濕環(huán)境下的封閉系統(tǒng)中，蒸汽與氣體消毒劑能夠展現(xiàn)出強大的滅菌效果，常用于對實驗室空間、儀器設備進行消毒滅菌，尤其適用于生物安全柜、動物飼養(yǎng)區(qū)及相關設施；不宜浸潤消毒的大型固置設備；對傳統(tǒng)消毒手段敏感的精密或光學器械；房間、建筑及其關聯(lián)的空氣循環(huán)系統(tǒng)等。在具體操作時，需要對消毒氣體設置一定的壓力、溫度和濕度，使其均勻散布于目標區(qū)域，確保全方位覆蓋，繼而與空氣中的微生物充分反應，達到破壞細胞結構、抑制生長繁殖的效果。氣體消毒劑能夠填充整個密閉空間，全面凈化空間內所有區(qū)域，尤其是那些難于直觸的隱蔽處，如設備背面或復雜部件間隙。當前，汽化過氧化氫已成為眾多高等級生物安全實驗室優(yōu)選的消毒滅菌手段之一，因其高效性與安全性獲得了廣泛認可。

二、高等級生物安全實驗室消毒滅菌常用設備    

（一）壓力蒸汽滅菌器

壓力蒸汽滅菌器屬于濕熱滅菌技術，是生物安全實驗室必備的消毒滅菌設備之一，而高等級生物安全實驗室對壓力蒸汽滅菌器的功能具有更高的要求。高等級生物安全實驗室的蒸汽滅菌器需內置安全保障架構，采用雙門設計，并配備互鎖機制，一扇門敞開時，另一扇門會自動鎖定，確保任意時刻僅有一扇門處于開啟狀態(tài)，形成物理隔離屏障，確保物品從污染區(qū)經由滅菌器過渡到潔凈區(qū)，阻止微生物跨區(qū)傳播，而未經充分滅菌的廢棄物嚴禁通過該雙門系統(tǒng)直接移出實驗室。雙門設計可減少雙門同時開放導致的空氣交換，有助于維系各室之間穩(wěn)定的氣流差，并且兩個門的互鎖采用機械結構，無論遇到電力中斷還是水源供應問題，其安全性依舊得到維持。在運行時，除非雙門皆已確認關緊，否則滅菌循環(huán)不會啟動。

蒸汽滅菌器嵌入兩室隔墻之中，其外殼與實驗室墻體接縫處必須嚴密封閉。為滿足高等級生物安全需求，此類專用滅菌器裝配有生物密封組件，一般采用鋼質或不銹鋼板材，四周經連續(xù)焊接加固，壁體內所有管路接口，無論是電纜還是管道，均需采用防滲設計，確保整體結構無泄隙，嚴防空氣泄露，有效隔絕危險區(qū)（封閉實驗室方）與安全區(qū)（非封閉實驗室方）。蒸汽滅菌器采取“被動式”密封原理，通過門框閉合時對密封墊施加壓力實現(xiàn)緊密貼合，而非借助空氣或蒸汽壓力輔助。門密封圈一般采用固態(tài)硅橡膠材質，標準厚度不低于6.35mm[5]。在排放蒸汽滅菌器產生的廢氣與廢水至外界前，必須實施封閉、過濾或凈化措施，比如在滅菌器內部，即其工作艙室中安裝超高效HEPA過濾器，或在滅菌器艙室外另置超高效HEPA過濾器，作為二級防護層，進一步攔截可能逃逸的微生物。

（二）氣體消毒系統(tǒng)

    氣體消毒技術在高等級生物安全實驗室消毒滅菌工作中具有獨特的優(yōu)勢，根據相關法律法規(guī)要求，BSL-3和BSL-4級別實驗室在遭遇意外泄漏事件或例行檢修之后，務必采取可信有效的全室消毒措施。當前，用于生物安全實驗室空氣凈化的主要氣體消毒劑包括甲醛、氣體二氧化氯（GCD）以及汽化過氧化氫（VHP）。相較于甲醛與GCD，VHP以其更低的毒性、非致癌性及環(huán)保特質，逐漸成為高級別實驗室首選的消毒媒介，特別適用于空間及大規(guī)模設備的消毒滅菌。目前，市場中過氧化氫蒸汽生成器供應商主要是英國BIOQUELL與美國STERIS兩家公司。以STERIS公司的VHP 1000-ARD系統(tǒng)為例，該裝置運用35%濃度的過氧化氫溶液開展消毒作業(yè)，整個去污進程分為干燥、調節(jié)、去污、通風四個步驟，先利用內置的吸濕系統(tǒng)降低房間濕度，然后將過氧化氫溶液蒸發(fā)后的氣體釋放入房內，快速達到所需濃度，并持續(xù)補充汽化過氧化氫，確保有效抑制微生物生存。消毒滅菌完成后，停止注入汽化過氧化氫，啟動換氣機制，排除殘余氣體。近年來，國內企業(yè)也積極研發(fā)適用于生物安全實驗室的便攜式VHP消毒裝置，并在特定領域得到一定應用。

（三）污水處理系統(tǒng)

    污水處理系統(tǒng)是高等級生物安全實驗室必備的基礎設施，用于處理實驗室各類廢水及生物防護區(qū)域內產生的污水，對污水進行嚴格滅活處理，以消除潛在的病原體威脅。污水處理系統(tǒng)主要采用化學消毒滅菌技術或高溫消毒滅菌技術，大部分高等級生物安全實驗室采用后者，利用熱量與壓力作用，將污水中的有害微生物徹底滅活。例如，BSL-4實驗室某一專用區(qū)域設有不銹鋼清洗池及浮水槽，專供常規(guī)實驗室作業(yè)中生成的凈化溶液回收。這些容器與污水處理系統(tǒng)相連，其下方安置三個容積達5.685噸的液體處理罐，罐體裝備蒸汽加熱外套，能迅速提升內室至適宜的滅菌溫度，執(zhí)行預設的消毒程序。待循環(huán)完畢，處理后的液體經過降溫，再送入pH調節(jié)系統(tǒng)作最終處置。污水熱處理裝置主要包括兩種類型：序批式污水熱處理系統(tǒng)與連續(xù)流式污水熱處理系統(tǒng)，其主要區(qū)別在于前者先收集存儲廢水，而后進行集中處理；后者則是即時收集即時處理，流水線般不間斷地處理污水，避免了中間環(huán)節(jié)的等待與累積。兩種設備各有特點，前者適合于處理批次性的大容量廢水，有利于管理與調度；后者則適用于持續(xù)產生小流量廢水的情況，強調即時性和效率。兩者均能有效地保障實驗室廢水中的病原體得到有效控制，符合生物安全管理規(guī)定，但應用場合略有不同，應根據實際需求靈活選用。

三、結語

   強化消毒滅菌的安全有效性對于保證高等級生物安全實驗室運作安全極為重要。我國在高等級生物安全實驗室，尤其是BSL-4實驗室建設方面的起步相對較晚，許多技術、設備發(fā)展還不夠成熟，迫切需要在這一領域深化研究，攻克關鍵技術難題，激發(fā)自主創(chuàng)新動力，以提升我們在消毒滅菌技術上的熟練度與創(chuàng)新能力，加速技術進步與產品優(yōu)化，打破長期依賴外國技術與設備的局面。

文章來源：《產品可靠性報告》   http://00559.cn/w/kj/32519.html