减少危化品使用及危废品产生的探索与实践——以生物学基础课实验教学为例

周杰，王文燕，刘双青，张芬，林爱华

（1.中南民族大学 实验教学与工程训练中心，湖北 武汉 430074；2.中南民族大学 生命科学学院，湖北 武汉 430074）

“倡导绿色实验，减少实验室危险化学品的使用”是实验室改革与发展的基本理念，也是实验教学始终面临的一项需要不断探索的重要课题。如何积极主动优化实验及实验准备方法，不断探索减少实验室危险化学品使用及危废品的产生，确保实验室生物化学安全始终是生物学实验教学工作的一项重要内容。中南民族大学2014 年成立实验教学与实验室管理中心，将全校的基础课程进行整合，生命科学、药学、生物医学及资源与环境4个学院的基础课程共计41 门归类到基础生物学实验室开设。经过几年的探索与实践，生物学实验教学内容不断改革、创新和发展，危险化学品的使用量在不断减少。但是作为具体配制使用生物学危化品的实验技术人员，在长期的实验教学过程中深刻体会到关于生物学危化品使用的改革还有很大空间，如何积极主动地优化实验及实验准备方法，不断探索减少实验室危险化学品使用及危废品的产生，确保实验室生物化学安全，始终是生物学实验教学工作的一项重要内容。

1 生物学实验教学中危化品使用及危废品产生中的问题与矛盾

1.1 在危化学品的使用及危废品的产生中，实验老师和实验技术人员关注的侧重点不同

传统的实验教学方法是实验技术人员根据实验老师提供的教学大纲，提前准备好每一个实验项目需要试剂、耗材及仪器设备。这其中存在一个问题是，首先教学大纲是实验老师独立于实验技术人员之上的独立决策，实验技术人员无权参与，实验老师主要关注实验内容的完整性及培养方案中学生学时数的完成度，容易忽视危险化学品的使用；而实验技术人员关注的则是危险化学品的使用情况，期待尽量少用或不用危险化学品。例如分子生物学实验，对于实验要求较高的《动物肝脏RNA 提取实验》，为了降低RNA 酶污染，实验老师要求实验技术人员用DEPC 水(有致癌性）对所有的实验材料、工具、仪器设备等进行彻底的RNA 酶处理，达到极致的要求。但是由于实验结果受多方面因素的影响，导致实验结果非常不稳定。对待这一个问题，老师更多关注实验技术人员的实验准备工作是否到位，较少关注学生实验过程RNA 酶污染，而实验技术人员则更多关注到学生实验过程中的RNA 酶污染；其次每个实验项目需要提前配制的危化品数量如何确定，实验老师关注实验的方便快捷和学生的实验结果，因而希望试剂配制数量多多益善，而实验技术人员则需要严格订购、保存、使用、管理危化品，认真考虑存在的危险性以及需要承担的风险和责任，因而从自身安全及实验室安全考虑，则更为关注在实验教学课堂中尽量少用危险化学品[1,2]。

1.2 实验技术人员的劳动强度与实验课堂产生危废品数量之间的矛盾

目前生物学实验室每学年要面向全校4 个学院的本科生开设近6000 人次的生物学相关实验，要使用大量的危险化学品，同时产生大量的危废品。因为生物学实验教学实验项目多，需要使用的危险化学品相对也较多，所以实验室要配制大量的有毒有害试剂（化生药实验室的教学和科研都涉及到类似的情况）。但是有毒有害试剂的配制有一个特殊性：比如按照实验教案要求一堂实验课需要4 升有毒有害试剂，如果一次配制10 升的话，就能够充分保证学生实验课堂的安全用量，应付任何意外（学生操作失误及重复实验等），一堂课下来实验技术人员就可以轻轻松松过关、减少了很多的工作量。但是如果一次只配制5升的话，实验技术人员就需要主动到实验课堂上指导学生危化品的使用及注意事项，并随时关注实验教学课堂上学生实验动态以及是否会发生意外及重做的情况，时刻准备重新熟练配制，以补充不足，保证实验课的顺利进行。这样一来，对实验技术人员来说必须参与到学生的实验教学中去，整个实验课堂是紧张而忙绿的，而且要增加一倍的工作量，甚至受到老师和学生的误解，但是结果是减少5 升“有毒有害废液”的产生。每学期学校都要处理几次危化品，数量也是触目惊心的。这是一个很现实的但是又不容易引起注意和重视的问题。

1.3 实验老师对学生的管理难度与产生危废品数量之间的矛盾

实验教学课堂的方便、快捷、安全和对实验结果的追求是实验老师和学生关注的重点，但是如果单纯追求方便、快捷，容易忽视实验过程中对实验学生的管理，实验教学课堂就容易产生大量的危废品。比如在生物化学实验中，每个实验项目的完成需要大量不同的试剂，在实验的过程中试剂的量取是使用移液器还是玻璃移液管，在实验老师、实验学生与实验技术人员之间存在一个很大的分歧。传统的方法是使用玻璃移液管，每取完一种试剂清洗一下移液管即可继续使用，不产生实验垃圾废品，但是需要学生具备耐心、细心和较高的操作水平，而且在操作中有更多时间对实验原理和实验步骤进行思考。但是近几年随着实验经费的提高和实验条件改善，实验老师和学生对实验设备和耗材的使用也提出了更高的要求。目前生物学实验室面向3 个学院开设的生物化学实验，许多实验老师就提出了要求使用移液器。移液器的使用的确方便、快捷，但是移液器价格昂贵，使用要求高，需要定期校准，如果学生不能规范使用，不仅容易损坏而且很容易污染，而且进一步造成实验结果的不准确，无形之中又增加了危废品的产生；每取完一种试剂就要更换一次塑料枪头，一堂课下来就会产生大量的塑料枪头垃圾，每学年仅塑料垃圾就几十箱。

因为角色和视角的不同，导致实验老师、实验技术人员和实验学生之间矛盾的产生，进而导致大量不必要危险化学品但的使用及危废品的产生，不仅造成了环境污染，也对广大师生的身心健康带来了一定的危害。是对于这一问题，无法完全从规章制度上对危险化学品的使用及危废品的产生进行精准的量化考核。首先这是一个“责任心”的问题，“责任心”是无法量化考核的；其次，还会引起更多的问题，比如导致危废品直接进下水道和垃圾箱。

2 生物学实验教学中生物化学安全现状及采取的措施和方法

目前生物学实验室每年订购使用的危化品及相应危废品的产生主要来自生物化学和分子生物学实验室，生物化学的安全隐患也主要来自该实验室。我们从生物化学和分子生物学两门实验教学课程入手，针对大量使用危化品的实验项目和大量产生危废品的操作过程进行梳理、讨论，提出优化方案，以实验教学课堂为平台，通过学生的实验室开放，设计一系列实验对照，经过全体师生全员参与进行课堂验证，主动引导实验老师及实验学生不断优化实验过程和实验准备条件，在落小、落细、落实上下功夫，最大限度地减少危化品的使用和危废品的产生。因此，需要实验老师和实验技术人员及实验学生达成共识，共同制定一套完整的关于优化实验教学和实验准备方法、减少危险化学品的使用和危废品产生的实验教学方案，并在日后的实验教学过程中不断进行优化改革[3-5]。

2.1 生物化学实验教学

2.1.1 现状

（1）危化品的使用

生物化学实验教学中《糖的呈色反应》涉及全校三个学院共10 个专业约600 个学生，是使用危化品和产生危废品最多的实验，用到7 种危化品（包括浓硫酸、浓盐酸、1-萘酚、蒽酮、间苯二酚、3,5-二羟基甲苯、乙酸），其中浓硫酸、浓盐酸的用量很大，危险性也最大。尽管各种预案及注意事项反复强调，但是由于实验学生数量庞大且学生的实际操作能力的局限等各种因素影响，各种事故时有发生。如由于试验品容易溅到学生皮肤上，给广大师生造成了较大的恐慌；同时因为使用的化学试剂较多，实验课堂学生数量爆满，尽管开启了通风系统，但是在整个实验过程中，危险化学品的气味弥漫教室，空气污浊，给广大师生的身心健康带来了一定的危害。由于储存、配制、管理及实验废液处理都有很大的危险性，影响到实验室的安全；大量的废液产生也造成了一定的社会危害，给实验技术人员造成了一定的心理阴影。

（2）危废品的产生

为了满足实验老师及实验学生对实验试剂多多益善的要求，同时也减少实验技术人员自身的工作量，试剂配制量一般在1.5～2.0 倍之间。特别是在危化品的配制方面，为保证不需要第二次配制，一般的配制余量都较大，这样实验老师和实验技术人员可以不深入课堂，不必为课堂是否出现重做情况而担心，更不存在重新配制试剂的情况，既受到老师和学生的欢迎又减少了工作量，但结果是产生了大量的危废品。

2.1.2 采取的措施及方法

生物化学实验课程关联生科院、药学院，生医学院三个学院12 个专业共30 名老师和800 名学生，加上实验技术人员，共隶属4 个不同的行政单位。实验技术人员作为生物化学实验课程教学团队的纽带，必须自觉把握生物化学实验教学危化品的使用情况，提出合理可行的方案，通过与课程负责人及全体老师沟通协商，不断改进方案，并自觉作为方案实施的负责人，积极推动实施。

（1）促进《生物化学实验教学》全体实验老师沟通交流

目前生物学实验室已配合生科院完成了《生物化学实验课程》视频录制工作，内容涵盖3 个学院开设的《生物化学实验课程》的共10 个实验项目，并在中南民族大学课程学习中心上线。生科院的学生统一进入学习通进行学习，通过碎片化时间进行课前预习，提前了解实验内容及实验中危化品的危险性和注意事项，为减少课堂危化品的伤害起到了积极的作用。

在此基础上，开展下一步工作，首先促成其他学院的学生统一进入学习通进行学习；其次组织参加开放实验的学生完成《糖的呈色反应》实验中用到浓硫酸的毛利氏反应和蒽酮反应录制短视频，在课堂课件PPT 中演示，实现在实验教学课堂具体的实验操作中学生用水代替浓硫酸的试剂进行假想模拟该实验，与视频演示相配合，既实践了一种操作方法，又避免使用浓硫酸，使得实验真实有趣、科学安全。

通过以上措施的实施，率先在生科院的生物化学实验教学《糖的呈色反应》这一实验项目中，去掉毛利氏反应和蒽酮反应的实际操作，减少实验室浓硫酸的使用。通过生科院学生实验效果考察及与其他学院实验老师的沟通交流进一步推广应用其它学院的生物化学实验教学中，实现生物学实验室去浓硫酸实验的目的。

（2）实验技术人员主动打造“绿色实验室”

结合历年实验教学的课堂经验，对需要配制的危化品，特别是《糖的呈色反应》实验中需要的危化品试剂，由原来的1.5～2.0倍配制量降低到1.2 倍配制量，这样实验技术人员必须和实验老师一起深入课堂，指导学生正确量取危化品试剂，既可以有效防止危险发生，又能及时及时掌握试剂使用情况，如果出现重新实验的情况，实验技术人员可以根据具体情况快速在各个小组之间调剂试，互补使用或快速重新熟练配制试剂，以保证学生实验的顺利进行。虽然实验技术人员无形中增加了工作量，但是最大限度降低了危化品的使用和危废品的产生。

目前三个学院开设的《生物化学实验》有的学院操作使用玻璃移液管量取试剂，有的学院学院是使用移液枪。首先完成移液器和玻璃移液管的使用方法及使用注意事项录制短视频，在生物化学实验第一堂课的课件PPT 中演示，通过比较两者使用的优缺点，使学生形成感性认识，并在实验开始前进行移液器和玻璃移液管的使用练习；其次，逐步推进使用玻璃移液管，生物化学实验开设的特点是同一个实验项目分别在3 个不同的教室同时开设。首先在一个教室率先改用玻璃移液管，其他教室继续对比使用移液枪，通过现场试验结果对照，用事实说话，促成老师和学生互相交流对比，最后达成共识，统一使用玻璃移液管。从源头上减少危废品的产生[5,6]。

2.2 分子生物学实验

2.2.1 现状

（1）危化品的使用

DNA、RNA 的相关内容是分子生物学实验中必学知识点，每年要面向生命科学学院、药学院、生物医学工程学院有近八百名本科生开设相关实验项目。但是目前实验室开设的《动物肝脏总RNA 提取实验》准备工作相当麻烦、工作量巨大，用到大量有毒有害的试剂（DEPC 水等），而且实验用到的试剂盒价值昂贵，加上实验结果受多方面的影响，导致实验结果很不稳定。这个问题一直困扰实验老师、实验技术人员和实验学生。其中如何降低RNA 酶污染，防止RNA 降解是该实验成败的关键，是实验准备工作的核心目标和宗旨，也是实验课堂上实验老师科学指导与学生规范操作的根本任务。如何真正优化RNA 提取实验的实验准备工作、实验过程及实验结果，是实验技术人员和实验老师需要积极解决的问题[7,8]。

（2）危废品的产生

为了防止实验过程中RNA 酶污染，实验老师要求1.5 mL Ep管及枪头、枪头盒必须用无RNase 的新购专用管，因此产生大量的塑料垃圾。实验老师鼓励学生全程带手套和口罩，整个实验课堂一个学生要更换几次手套和口罩，产生大量的实验垃圾。

2.2.2 采取的措施及方法

RNA 酶是一类生物活性非常稳定的酶类，除了细胞内源RNA 酶外，外界环境中均存在RNA 酶，严格的RNA 提取实验必须在无RNase 的环境中进行。但是由于实验条件所限，实验只能在教室的露天空气中进行，增加了外源RNA 酶污染潜在危险，也给实验结果的稳定性带来了一定的困难。

总结多年《动物总RNA 提取实验》课堂经验，由于实验技术人员准备方法的不同，老师与学生实验操作水平的不同，导致了实验过程及实验结果的巨大差异。总结发现，抑制细胞内源RNA酶是顺利产生实验结果的关键，抑制外源RNA 酶是实验结果的基本保证，但是实验操作速度及操作方法是控制外源RNA 酶的关键因素。

（1）关于细胞内源RNA 酶抑制

①使用Trizol 试剂，已有文献记载，Trizol 试剂中含有强烈的RNA 酶抑制剂，组织样品用Trizol 充分研磨不用担心RNA 的降解。②实验过程中用无Rnase 的0.1%DEPC 水（从生物公司购买）直接溶解RNA。③用75%乙醇（0.1%DEPC 水）做进一步的处理，以上3 个措施已经能够充分抑制细胞内源RNA 酶，保证实验结果的合理性。

（2）关于外源RNA 酶抑制

设计一系列对照实验：①不同层次学生分三组进行对照实验，A.参加湖北省生物学竞赛的同学竞赛前的实验室开放性训练实验；B.已经出色做过《动物总RNA 提取实验》的学生进行第二次开放实验；C.随机抽取第一次进行《动物总RNA 提取实验》实验课堂上的部分同学的实验结果。每一组进行实验的学生部分同学全程戴口罩手套、部分同学全程不戴口罩手套。②相同的实验条件下不同课堂进行实验对照。③不同实验条件下不同课堂进行实验对照。

2.2.3 实验效果比对

通过学生的开放实验验证对照发现：①对实验耗材和玻璃器皿采用121℃、40min 高压灭菌能够满足抑制外源RNA 酶的要求，达到实验结果的合理性，与DEPC 水进行处理的实验结果相差无几，所以不需要延续多年传统的方法使用大量的DEPC水进行处理及采取一些极致措施来消除外源RNA 酶；②抑制外源RNA 酶的关键因素是学生的实际操作能力、实验操作速度和操作方法。

因此，根据实验结果对照，引导老师和学生把保证《动物肝脏总RNA 提取实验》成功的关注重点转移到加强课堂管理、提高学生操作技能培养上来。通过减少DEPC 水等危险化学品的使用及塑料危废品的产生，从根本上实现了“优化《动物肝脏总RNA 提取实验》的实验过程及实验准备方法，减少实验室危害”。

3 结语

高校生物学实验室在开展实验教学活动过程中不可避免地要用到危险化学品并产生危废品，由于参与教学科研的人数众多，高校生物学实验室危化品和实验废弃物已经成为一个不容忽视的小型污染源，是实验室安全管理的一大隐患。而危废品自行处理困难，都是由实验室自行回收后交专业公司进行处理，不但影响环境而且花费大量的处理费。所以优化实验和实验准备方法，从源头上减少危化品的使用和危废品的产生，是从根本上解决这一问题的关键。作者所在的中南民族大学实验教学中心生物学实验室，通过对大量使用危险化学品的实验项目和大量产生危废品的操作过程进行梳理、讨论并提出优化方案，制定了一套完整的优化实验教学和实验准备方法、减少危险化学品的使用和危废品产生的实验教学方案，并在具体的实验教学过程中进行实施；实验技术人员通过自觉行动和主动作为减少危化品的配制数量，并积极深入课堂指导监督学生对危化品的使用，引领老师和学生养成良好的实验习惯。通过上述一系列措施的实施，生物化学和分子生物学两门实验课的危化品使用量和危废品的产生量都明显降低，逐步实现了建设节能环保绿色实验室的管理理念，并在日后的实验教学过程中不断进行优化改革[9，10]。