第一节 实验室安全和基本环境要求
以分子生物学为基础的基因工程实验会涉及微生物和具有生物活性的生物因子，有些是可使人、动物和植物致病的生物因子；还会涉及一些有潜在生物危险、可燃、易燃、具有腐蚀性、有毒、放射和起破坏作用的、对人和环境有害的危险废弃物。中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局制定《实验室生物安全通用要求》标准，该标准规定了实验室生物安全管理和实验室的建设原则，同时，还规定了生物安全分级、实验室设施设备的配置、个人防护和实验室安全行为的要求等。
一、实验室生物安全
生物安全（biosafety）是为了避免危险生物因子造成实验室人员暴露，向实验室外扩散并导致危害的综合措施。根据生物安全性水平，实验室可分为：基础实验室，一级生物安全水平；基础实验室，二级生物安全水平；防护实验室，三级生物安全水平；最高防护实验室，四级生物安全水平。不同的实验室对实验室环境有不同的要求，一、二级实验室对环境要求较低，实验室可以开窗，不需要空气过滤系统，但必须要有相应的防火、防漏电和污染防护设施，实验台面应该防火和耐一定的高温、耐酸碱和耐腐蚀，还要有通风橱等基础防护设施，生物实验室的通风设备设计不完善或实验过程个人安全保护存在漏洞会使生物细菌毒素扩散传播，带来污染，甚至带来严重不良后果。
对于生物安全等级为三、四级的实验室，需要执行更为严格的安全防范措施，并建立相关的责任追究制度。三、四级实验室对环境的控制要求是非常严格的，除了要求实验室具有严格安全操作程序以外，还要进行物理上的隔离，并且能够进行密封消毒，必须具有特殊的空气双过滤系统、生物安全柜和排放液体消毒系统，甚至还要具有人员安全监控条件。这类实验室也必须由专门的机构按照世界卫生组织（WHO）生物安全性要求来建造。
实验室的生物安全性要符合中华人民共和国国家标准（GB 19489—2004）《实验室生物安全通用要求》（Laboratories-General Requirements for Biosafety）规定。标准规定了实验室生物安全管理和实验室的建设原则，同时，还规定了生物安全分级、实验室设施设备的配置、个人防护和实验室安全行为的要求，该标准为最低要求，实验室还应同时符合国家其他相关规定的要求。例如，2003年SARS流行后，许多生物实验室加强对SARS病毒的研究，之后报道的SARS感染病例多是因管理不善，致使科研工作者在实验室研究时被感染所致。
生物性污染包括生物废弃物污染和生物细菌毒素的污染，如一些带致病因子的实验用生物材料废弃物（如血液、尿、粪便、痰液和呕吐物等）。开展生物性实验的实验室会产生大量含高浓度有害微生物的培养液、培养基、使用过的实验用品和器材以及细菌阳性标本等，如未经适当的灭菌处理而直接外排，就有可能造成严重的后果。
生物类废物应根据其病源特性、物理特性选择合适的容器和地点，专人分类收集进行消毒、烧毁处理，遵循日产日清的原则。
固体可燃性废物分类收集、处理，一律及时焚烧；固体非可燃性废物分类收集，可加漂白粉进行氯化消毒处理，满足消毒条件后作最终处置。一次性使用的制品如手套、帽子、工作物、口罩等使用后放入污物袋内集中烧毁；可重复利用的玻璃器材如玻片、吸管、玻璃瓶等可以用1000～3000 mg/L有效氯溶液浸泡2～6h，然后清洗重新使用或者废弃；盛标本的玻璃、塑料、搪瓷容器可煮沸15 min，或者用1000 mg/L有效氯漂白粉澄清液浸泡2～6h，消毒后用洗涤剂及流水刷洗、沥干；用于微生物培养的容器，用高压蒸汽灭菌后使用。微生物检验时接种培养过的琼脂平板应高压蒸汽灭菌30 min，趁热将琼脂废弃处理。尿、唾液、血液等生物样品，加漂白粉搅拌作用2～4h后，倒入化粪池或厕所，或者进行焚烧处理。
二、实验室试剂安全
大多数分子生物学实验室的生物安全性级别都处于一级和二级，对生物安全的要求较低，但是分子生物学实验室都经常会使用到一些有毒、有害的化学试剂，如核酸实验中使用的苯酚和溴化乙锭（ethidium bromide,EB），如果使用不当会造成自身伤害和环境污染。从某种程度上可以说，实验室实际上是一类典型的小型污染源，建设越多，污染越大，因此有必要对实验室中化学试剂的安全性有充分的了解，在实验工作中应该严格遵守安全规范，保护自己的健康。在实验操作前，应该着重了解哪些物质有害健康？是如何危害健康的？应该如何防范和后处理？其实了解了这些物质危害原理就能有的放矢地防范它。此外，在实验室可能会使用到易燃、易爆试剂，如易燃的气体（氢气）和液体（酒精和乙醚）等。可以说，在整个实验过程中潜伏着可产生各种意外的因素，实验人员在思想上应有足够的重视，需具备必要的实验室化学试剂使用的安全知识，掌握防范措施及急救方法。
分子生物学实验室一般的试剂污染可以分为化学物质污染和放射性物质污染两大类。按污染物形态可分为废水、废气和固体废物三种类型，废水如含EB的电泳液、培养物；废气如挥发性的酸、醛、醇、苯酚、汞等；固体废物如手套、吸头等。
化学物质污染包括实验过程中使用的各种有毒、有腐蚀性的化学试剂的污染，如，有机物污染、无机物污染、重金属及有毒化学物质污染等。
分子生物学实验室中的有机物污染主要是指有机试剂的污染，它们大多并不直接参与化学反应，而仅仅起到溶剂的作用，不过也包括反应过程中的中间产物。常见溶剂如三氯乙烷、苯酚；载体，如乙腈、丙烯酰胺等。
无机物污染有强酸、强碱的污染，包括酸类、酸酐及与水汽产生酸的物质，例如硫酸、氟氢酸、硝酸、盐酸、五氧化二磷、醋酸、醋酸酐、酰氯化合物等；碱类，如氢氧化钠、氢氧化钾、氨水（氨气）、有机胺类及水解生成氨的化合物，前三者对眼睛的危害较大。
重金属对人的毒性极大，而且在人体中的毒性具有累积性，重金属特别是汞、镉、铅、铬等具有显著的生物毒性，长期接触可致癌，它们在水体中不能被微生物降解，而只能发生各种形态的转化或分散、富集过程（即迁移）。重金属污染能因吸附沉淀作用而富集于排污口附近的底泥中，成为长期的次生污染源；能与水中各种无机配位体（氯离子、硫酸离子、氢氧根离子等）或有机配位体（腐蚀质等）形成有更大溶解度的重金属络合物或螯合物；重金属离子的价态不同，活性与毒性也不同，其形态又随pH和氧化还原状况的改变而改变；在微生物作用下，有的会转化为毒性更强的有机金属化合物（如洋-甲基汞）；这些重金属可被生物富集，通过食物链进入人体，造成人体慢性中毒。
有毒化学药品是指那些吸入微量即能致死的化学药品，或者是大量接触可能对健康产生危害的化学物质，包括剧毒化学物质和致癌化学物质。在生物学实验中常用的有毒化学药品，如水银及汞盐、氰化物（氰氢酸、氰化钾等）、硫化氢、砷化物、叠氮钠、氟化钠、马钱子碱等都是属于剧毒化学药品，致死剂量很低。有些化学药品是致癌性药物，如EB，具有强诱变致癌性；焦碳酸二乙酯（diethypyrocarbonate,DEPC）闻起来有香甜味，却是一种强有力的蛋白质变性剂，而且是致癌剂。在使用这些药物时一定要戴一次性手套，实验过程中注意操作规范，不要随便触摸别的物品。有些化学物质虽然毒性不如剧毒化学药品，但过量接触或者长期接触也会对健康产生巨大的危害，甚至危及生命。如苯能深入骨髓，损害造血器官，引起患者全身无力、贫血、白细胞降低等；卤代烷能使肝、肾及神经受损害，钡盐损害骨骼，汞盐损害大脑中枢神经等。有些化学药品如乙醚、氯仿等对人会有麻醉作用，有些会引起一些人的过敏反应，最常见的是接触性皮炎。苯甲基磺酰氟（PMSF）具有神经毒性，是一种高强度的胆碱酯酶抑制剂，它对呼吸道黏膜、眼睛和皮肤有非常大的破坏性，使用者可因吸入、吞下或皮肤吸收而致命。放线菌素D是一种致畸剂和致癌剂。α-鹅膏蕈毒环肽具有强毒性，可能致命。N,N′-亚甲双丙烯酰胺有毒，影响中枢神经系统。甲醛毒性较大且易挥发，也是一种致癌剂，易通过皮肤吸收，对眼睛、黏膜和上呼吸道有刺激和损伤作用作。β-巯基乙醇可致命，对呼吸道、皮肤和眼睛有伤害作用。甲醇有毒，能引起失明。乙腈是一种刺激物和化学窒息剂，易挥发易燃，在通风橱中操作时应远离高温和明火。浓乙酸可能因为吸入或皮肤吸收而使实验人员受到伤害，因此，操作时应戴手套和护目镜，最好在化学通风橱中进行。过硫酸铵对黏膜和上呼吸道、眼睛和皮肤又较大危害性，吸入可致命，操作时戴手套、护目镜，始终在通风橱中操作。
还有一些其他有毒化学物质也是很危险的，如一氧化碳可与红细胞结合，氰化物可阻断血液中氧的利用，硫化氢能使呼吸中枢和血管中枢神经的麻痹。硫化氢的毒性不比氰化氢低，吸入高浓度的硫化氢气体会导致气喘，脸色苍白，肌肉痉挛，长时间在低浓度硫化氢条件下工作，也可能造成人员窒息死亡。当硫化氢浓度大于700 ppm[1]时，人很快失去知觉，几秒钟后就会窒息，呼吸和心脏停止工作，如果未及时抢救，会迅速死亡；而当硫化氢浓度大于2000 ppm时，人只需吸一口气，就可能立即死亡。
生物化学实验中有些较为激烈的反应和操作还具有一定的危险性，因此如要使用到一些有毒的化学药品和有一定危险性的操作，一定要参照生物实验室安全性常识（化学药品篇）进行。
实验室只宜存放少量短期内需用的药品。化学药品建议按无机物、有机物、生物培养剂分类存放。无机物按酸、碱、盐分类存放，盐类按金属活跃性顺序分类存放；生物培养剂按培养菌群不同分类存放。属于危险化学药品中的剧毒品应放在专门的毒品柜中，由专人加锁保管，实行领用经申请、审批、双人登记签字的化学试剂的使用管理制度，要遵循既有利于使用，又要保证安全的原则，管好、用好化学药品，加强安全教育。
为防止实验室的污染扩散，应遵循的污染物一般处理原则为：分类收集、存放，分别集中处理。尽可能采用废物回收以及固化、焚烧处理等方式，在实际工作中选择合适的方法进行处理，尽可能减少废物量，减少污染，废弃物排放应符合国家有关排放标准的要求。
减少实验室化学物质污染的措施如下：
①提高认识，制订技术规范，加强管理，积极减少化学污染。
②改进实验条件，使操作者得到有效防护，实验废弃物得到有效处理。
③改进实验方法，在保证实验效果的前提下，减小实验规模；用较温和的反应和安全操作代替剧烈反应和有危险的操作；使用无污染或者低污染、低毒试剂来替换高污染和高毒试剂。例如，在选用溶剂方面，优先考虑毒性较小的乙醇、丙酮、石油醚；用较安全的二氯甲烷、乙醇代替剧毒的苯、氯仿、四氯化碳等。
放射物质是指放射性比活度大于7.4×104 Bq/kg的物品，按其放射性大小细分为一级放射性物品、二级放射性物品和三级放射性物品。实验室常用的放射性同位素诸如31I、125I、32P（可产生高能量之β-射线）、35S、133Xe、67Ga等属于一级低放射性物质，对于二级放射性物品和三级放射性物品等高放射性物品如金属铀、六氟化铀、金属钍等，未经辐射物质管理部门批准，不得存放和使用。详细要求参照《放射性物品分类和目录》。
放射性物质具有放射性，能自发、不断地放出人们感觉器官不能觉察到的射线，放射性物质放出的射线可分为四种：α射线，也叫甲种射线；β射线，也叫乙种射线；γ射线，也叫丙种射线；还有中子流，但是各种放射性物品放出的射线种类和强度不尽一致。各种射线对人体的危害都很大，许多放射性物品毒性很大。放射性物质的放射性不能用化学方法中和，只能设法把放射性物质清除或者用适当的材料予以吸收或将其屏蔽。
一般实验室的放射性废弃物为中低水平放射性废弃物，主要有放射性标记物、放射性标准溶液等。放射性废弃物的处理方法是将实验过程中产生的放射性废弃物收集在专门的容器中，外部标明醒目的标志，根据放射性同位素的半衰期长短，分别采用贮存一定时间使其衰变和化学沉淀浓缩或焚烧后掩埋处理。半衰期短的放射性同位素（如：131I、32P等）废弃物，用专门的容器密闭后，放置于专门的贮存室，放置10个半衰期后排放或者焚烧处理。放射性同位素的半衰期较长（如：59Fe、60Co等）的废弃物，液体可用蒸发、离子交换、混凝剂共沉淀等方法浓缩，装入容器集中埋于放射性废物坑内。对于高反射性物质的废弃物处置要遵循国家的《放射性废物安全管理条例》。
与放射性相关的实验必须要在专门的放射性实验室内进行，实验室要有严格的放射性实验室的工作规则，并定期接受相关管理部门的检查。
放射性物质安全防护的基本原则：避免放射性物质进入体内和污染身体；减少人体接受来自外部辐射的剂量；尽量减少以致杜绝放射性物质扩散造成的危害；放射性废弃物要储存在专用容器中。
①在实验中尽量减少放射性物质的用量，选择放射性同位素时，应在满足实验要求的情况下，尽量选用危险性小的种类。
②实验时力求迅速，操作力求简便熟练。实验前最好预做模拟或空白试验。有条件时，可以几个人共同分担一定任务。不要在有放射性物质（特别是β、γ射线）的附近做不必要的停留，尽量减少被辐射的时间。
③由于人体所受的辐射剂量大小与接触放射性物质的距离的平方成反比。因此在操作时，可利用各种夹具，增大接触距离，减少被辐射量。
④创造条件设置隔离屏障。一般密度较大的金属材料如铅、铁等对γ射线的遮挡性能较好，密度较轻的材料如石蜡、硼砂等对中子的遮挡性能较好；β射线、x射性较容易被遮挡，一般可用铅玻璃或塑料遮挡。隔离屏蔽可以是全隔离，可以是部分隔离；可以做成固定的，也可做成活动的，依各自的需要选择设置。
①防止放射性物质由消化系统进入体内。禁止在实验室吃、喝、吸烟，工作时必须戴防护手套、口罩，实验中绝对禁止用口吸取溶液或口腔接触任何物品，工作完毕立即洗手漱口。
②防止放射性物质由呼吸系统进入体内。实验室应有良好的通风条件，实验中煮沸、烘干、蒸发等均应在通风橱中进行，处理粉末物应在防护箱中进行，必要时还应戴过滤型呼吸器。实验室应用吸尘器或拖把经常清扫，以保持高度清洁，遇有污染物应慎重妥善处理。
③防止放射性物质通过皮肤进入体内。实验中应小心仔细，不要让仪器物品，特别是沾有放射性物质的部分割破皮肤。操作应戴手套，遇有小伤口时，一定要妥善包扎好，戴好手套再工作，伤口较大时，应停止工作。
④所有使用放射物质的操作过程，应在铺有可弃式吸收材料的托盘或实验桌上进行。
三、实验室的环境条件要求
实验的仪器设备和环境条件对实验结果的准确性和有效性将产生重要影响，一个好的实验环境，会给实验带来更为精确的结果。实验室根据不同的仪器设备要求和不同的实验要求，设置相应的实验环境并加以控制，确保实验结果准确有效。
实验室的标准温度为20～25℃，实验室内的相对湿度一般应保持在50%～70%。除了特殊实验室外，温、湿度对大多数理化实验影响不大，但是对一些对环境要求很高的仪器设备或者检测方法，特别要注意实验室的环境条件出现的异常，例如，环境的温度和湿度不能满足某些仪器对温度、湿度的要求，超过仪器规定范围且明显影响检测结果时，要注意是否会对设备造成损坏或者影响到实验结果。实验室的防噪音、防震、防尘、防腐蚀、防火、防磁与屏蔽等方面的环境条件应符合仪器设备以及在室内开展的实验项目对环境条件的要求，如天平室和精密仪器室对温、湿度的控制较为严格。对一些对环境要求很高的仪器设备还要对实验室开门和进入人数进行控制，以免引起室内温度、湿度的波动变化。由于无菌操作的要求，实验过程中经常使用酒精灯，因此，微生物学实验室不能安装吊扇。
实验室应保持整齐洁净，每天工作结束后要进行必要的清理，定期擦拭仪器设备，仪器设备使用完后应将器具及其附件摆放整齐，盖上仪器罩或防尘布，一切用电的仪器设备使用完毕后均应切断电源。
电力是实验室的重要动力，一般的用电和实验用电必须分开，实验室对电源的首要要求是电源的安全性、可靠性及连续性，要求提供稳压、恒频的电源。对一些精密、贵重仪器设备，要求提供稳压、恒流、稳频、抗干扰的电源；根据仪器设备的特殊要求，必要时须建立不中断供电系统，还要配备专用电源，如不间断电源（UPS）等。
水源是实验室重要的配置，因此操作区内必须设置有水源，用于标本处理（如细菌染色）的水槽与工作人员洗手用的水槽不能混用。水槽最好选用进口PP水槽，注塑模制压制一体成型，可装盛强酸、强碱，并配一个PP落水口片和PP提笼以方便维护。实验室水槽、下水管道应耐酸、碱及有机溶剂，并采取防堵塞、防渗漏措施。水槽安装处应有上、下水，水槽安装两个低位水龙头，一个高位水龙头。清理微生物或者有毒物质的实验室的洗手水嘴宜使用非触摸式红外感应水龙头，存在生物危险因素的微生物实验室等不得设置地漏。理化实验区内易受化学物质灼伤处，应设置洗眼器及紧急冲淋装置。严禁在实验室水槽中排放腐蚀及剧毒溶液，倾倒少量废液必须用大量水冲洗。每个实验室应设洗手池，且宜设置在靠近出口处。
实验室的水电和易燃物品的存放和使用都要符合消防安全要求；大型仪器设备要有停水、停电保护，防止因电压波动或突然停电、停水造成仪器设备损坏；对于一些设备和仪器如高速离心机，如果操作不当会带来设备损坏甚至人身安全的，需要严格规范管理；实验室内严禁吸烟、吃零食、喝水和存放食物等，避免因误食引起的中毒事件发生。
此外，基因工程实验中的一些化学反应十分激烈，特别是存在易燃、易爆的条件时，因此，在整个实验过程中潜藏着发生各种意外的因素，实验人员在思想上要重视，需具备必要的化学试剂安全知识，掌握防范措施和基本的急救方法。
一个完整的标准的分子生物学实验室要求配备：实验室、仪器分析室、离心机室、细胞培养室、消毒和洗涤室。实验室可以细分为DNA实验室、RNA实验室、蛋白质实验室等；仪器分析室也可以细分为暗室、电泳室、冷室、精密仪器室、放射性实验室等。不同的实验室根据实验具体情况进行合理的布置和严格的规范化管理，以达到良好的实验环境。