高校微生物学实验室的模块化管理实践

郝晓冉, 向碧云, 谢巧红, 高潇潇, 郝俊冉

(1. 北京师范大学 生命科学学院, 北京 100875; 2. 北京市八一学校, 北京 100080)

研究型大学是国家高等教育体系的领跑者,在知识生产、传播与应用中发挥着不可替代的作用,其科研生产力在很大程度上也决定了国家在区域和全球的竞争力。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中明确指出：“大学是我国培养高层次创新人才的重要基地,是我国基础研究和高技术领域原始创新的主力军之一,是解决国民经济重大科技问题、实现技术转移、成果转化的生力军。加快建设一批高水平大学,特别是一批世界知名的高水平研究型大学,是我国加速科技创新、建设国家创新体系的需要”[1]。

科研实验室作为高校科技创新的平台,是人才培养与成长的摇篮,是推动高校创新能力的有力支撑。科研实验室的建设和管理对高校教学和科研工作的正常进行起着举足轻重的作用[2]。研究生作为科研实验室的主体部分,与实验室的管理密切相关,因此探讨研究生自主管理实验室的有效模式,充分发挥研究生在实验室的主体作用,对于提高科研工作效率、培养高素质人才具有重要的理论和现实意义。

1 微生物学科研实验室模块化管理模式建立的背景

微生物学是生物学的重要分支学科之一。它是在分子、细胞或群体水平上研究各类微小生物(细菌、放线菌、真菌、病毒、立克次氏体、支原体、衣原体、螺旋体原生动物以及单细胞藻类)的形态结构、生长繁殖、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动的基本规律,并将其应用于工业发酵、医学卫生和生物工程等领域的科学。微生物学[3]是现代高新生物技术的理论与技术基础,也是高等农林院校生物类专业发展及农林业现代化的重要基石之一。由于微生物生长周期短、易操作、易培养等特点,在越来越追求本质的趋势下,微生物学技术在宏观学科研究中也变得越来越重要。

高校微生物学实验室具有如下几个特点：(1)研究对象往往是细菌、真菌等各种微生物菌种,微生物菌种的纯培养和菌种保藏尤为重要,操作不当则可能引起的微生物菌种扩散、微生物废弃物污染环境等问题,如果没有相应的规章制度管理,容易造成严重后果；(2)常用的实验仪器包括高压蒸汽灭菌锅、旋转蒸发器、大型高速离心机、摇床、超低温冰箱、微波炉、电磁炉、烘箱、冷冻干燥仪等,这些仪器经常处于接通电源、高温高压、高速等实验状态,如果不按照规范操作,极易造成烫伤、冻伤、机械损伤，甚至引起火灾；(3)一些精密仪器比如荧光定量PCR仪、高效液相色谱仪、多功能酶标仪等,对操作技术要求相对较高,需要经过培训才能使用,同时这些仪器还存在易损耗配件或者需要定时校准维护；(4)易燃、易爆、剧毒、强腐蚀性的化学药品和试剂使用频繁,一旦操作不当,轻则造成仪器损坏、环境污染,重则引发安全事故,甚至威胁到实验人员的生命健康安全；(5)各种高成本、易失活的酶制剂,如果保存条件不当,或者使用方法不当,造成污染,影响后续人员使用,对科研经费也造成极大的浪费；(6)实验技术有传承性。硕士研究生的培养一般是3年,博士研究生的培养一般是4年及以上,研究生毕业之后,如果相关课题没有继续进行,那么期间建立的各种实验方法和技术很容易丢失,对于实验室建设和发展,造成极大的损失。某些研究方向相关的科研实验室组建成公共实验室,还表现出使用人员和使用时间不固定、日常管理困难、仪器设备维护频繁等特点。

建设绿色生物实验室已成为实验室管理和改革的重要内容[4],基于微生物学实验的特点,在高校实验室管理中提高科研实验室管理和运行效率,培养研究生的责任心、安全意识对于建设绿色生物实验室至关重要。

2 “模块化”管理模式的实践和探究

2.1 “模块化”管理理念

模块化管理是20世纪90年代崛起的一种新型企业管理思想,是一种处置复杂系统的产品和服务的新方法,简言之,就是把问题细化,分级别管理,各负其责,管理模式呈金字塔状。目前为止,模块化管理模式已经被广泛应用到金融行业[5]、软件发展行业、汽车行业和微机行业、石油钻井[6]、发电厂工程[7]、手术室感染管理[8]等多个行业。

2.2 北京师范大学微生物学实验室

目前各个高校有很多针对微生物学实验室的管理制度,常见的有：实验室准入制度、实验室定期消毒、废弃物集中处理等[9-12]。北京师范大学生命科学学院是“国家理科基础科学研究人才培养基地”“国家生命科学与技术人才培养基地”和“基础学科拔尖学生培养试验计划”单位,以及“211工程”和“985工程”项目重点建设单位。微生物学实验室是其中的重要组成部分,团队成员目前有1名教授、1名实验师、1名博士后、4名博士研究生、2名硕士研究生。主要研究方向包括：1)酵母菌非编码RNAs(noncoding RNAs)的发生和生物学功能；2)真菌天然活性产物生物合成通路以及调控机制的研究。实验室除了进行研究生培养外,还承担指导本科生完成创新项目、毕业设计等多项任务。实验室占地面积80 m2,配置各种专业仪器设备40余种,日常工作人数在7～20人不等。自2012年开始,实验室采用“模块化”管理模式管理实验室,经过连续5年的发展,在实验室管理方面取得了一些良好的效果,实验室整体工作效率大大提高,研究生的工作热情也得到了很大的提升。

2.3 微生物实验室的“模块化”管理模式

利用“模块化”管理模式,我校微生物学实验室首先将整个实验室管理分为6个模块：(1)实验仪器；(2)实验药品；(3)菌种和引物；(4)实验技术；(5)采购与报账；(6)安全和卫生(见图1)。

2.3.1 实验仪器模块

为了更好地利用空间,根据仪器属性和实验功能不同,将同类别,或者同一实验需要,或者对环境要求类似的仪器摆放在一起,将实验室划分为多个功能区,包括①接种区,2台超净工作台；②RNA操作区,大型台式冷冻离心机、小型台式冷冻离心机、涡旋仪、细胞破碎仪、冷冻干燥仪;③电泳区,凝胶成像系统、电泳仪及配套电源、蓝光切胶仪;④天然产物分离分析区,高效液相色谱仪、真空泵、旋转蒸发器、冷阱、紫外检测仪、超声波清洗机；⑤检测区,酶标仪、超微量紫外可见分光光度计、细胞电穿孔系统；⑥PCR区,3台PCR仪、小型离心机、金属浴；⑦培养基配置区,电子天平、分析天平、磁力搅拌器、电磁炉、微波炉；⑧培养区,3台培养箱,2台摇床；⑨冰箱区,6台冰箱。某些常用到的小型台式离心机仪器、涡旋仪、移液器等间插排布在实验台上,方便学生实验操作。所有仪器统一登记,统一编号,分区指派研究生负责日常仪器维护和保养。

图1 微生物实验室模块化管理模式

2.3.2 实验药品试剂模块

根据使用目的,可将微生物实验室用到的药品试剂分为下面几类：①常用药品,包括各种碳源、氮源、无机盐类、琼脂粉、琼脂糖等。为便于查找和归位,每个药品盖子上都写上药品名称和药品柜编号,同时在电脑登记药品名称和存放位置；②抗生素类,存放于4 ℃冰箱固定区域内;③消化酶,包括蜗牛酶、纤维素酶、几丁质酶、溶菌酶等,存放于4 ℃冰箱固定区域内;④有机试剂,包括乙醇、甲醇、氯仿、二氯甲烷、乙酸乙酯、二甲基亚砜等,分类存放于可通风的药品柜中；⑤强酸强碱类,包括浓硫酸、浓磷酸、浓盐酸、醋酸、双氧水、过氧化钠等分类存放于专门的药品柜中；⑥分子生物学常用试剂,包括限制性内切酶类、连接酶、Taq酶、逆转录酶、定量PCR试剂、地高辛DIG标记检测试剂盒等,存放于-20 ℃冰箱固定抽屉内；⑦常用试剂盒,包括质粒小提试剂盒、凝胶回收试剂盒、片段纯化试剂盒等分类存放于实验室固定柜子中；⑧氨基酸类和维生素类,作为合成培养基的补充营养成分,这类药品种类多,瓶子小,所以统一存放在实验室固定抽屉或者冰箱中；⑨RNA相关试剂,RNase广泛存在于皮肤和环境中,活性稳定,易于复性,因此相关试剂存放于实验室固定区域;⑩Southern blot常用药品试剂,Southern blot步骤多,实际使用量大,相关药品统一存放于实验室固定柜子中。

2.3.3 菌种和引物模块

对微生物进行基因功能研究或者菌种改造,涉及到各种各样的菌种、质粒、突变株,实验室统一要求对每种新构建的质粒、突变株、新分离到的菌种做成甘油管保存于-80 ℃冰箱内,除了分配的个人甘油管盒子外,每保藏一个菌种还需要提交两份到实验室公共盒子中,一份日常活化菌种使用,一份保存备用。同一研究方向的通用引物也存放于-80 ℃冰箱内,每设计一对引物,被验证可以使用后,需要登记入实验室公共引物文件中。

2.3.4 实验技术模块

实验室配备有公用电脑,方便学生查找实验室公共资料,技术模块主要包括5个方面：①实验记录,每位学生有实验室统一编号的实验记录本,记录日常实验步骤、结果以及总结；②毕业论文和已发表文章,实验室都留有一份纸质版和电子版；③基本实验操作步骤,包括常用试剂盒说明书、常用培养基和试剂、抗生素、质粒、天然产物纯化方法、菌种分离及保藏技术、分子生物学技术、Southern blot、Northern blot、微生物生理生化等;④相关课题前沿书籍,包括《分子克隆实验指南》第三版等；⑤供货公司的产品目录。

2.3.5 采购与报账模块

微生物学实验要用到很多种实验耗材、有机无机试剂、抗体和酶制剂等,所以为了保证整个实验室的正常有序高效的运作,就对各种材料进行了专人负责制度。①国外订货类,如地高辛DIG标记检测试剂盒、Real-time PCR定量试剂盒等试剂需要从国外采购,供货周期长,规定每次使用要登记余量,并安排专人负责定期查看使用登记表,及时采购,有效避免试剂短缺现象；②有机试剂类,规定每次使用登记用量和余量,并安排专人负责检查各试剂的保存状况及采购；③常用低值易耗材料如吸头、Ep管、PCR管、培养皿、手套等,规定每半个月定期清点耗材余量,实验室集中采购；④及时更新试剂。发现有高效或者更加优惠的试剂或者试剂盒,及时更换产品。

所有药品试剂,每订购一次,都需要登记药品试剂的详细信息,方便学生及时查到药品货号、价格和供货商,为后续订货提供便利。同时也便于项目负责人了解经费使用情况。到货后,由专人负责核对包括货号、价格、商家等信息,并对所开具的发票定期进行报账处理。

2.3.6 安全与卫生模块

微生物学实验中,很多药品、试剂等在《实验室安全管理规定》中属于危险品,但又是进行实验所必不可少的试剂,为了实验室及实验人员的安全,本实验室也实施了专人负责制度。本实验室常用仪器、试剂较多,分块管理能保证实验室日常工作的高效运行。①分区管理。实验仪器分管到个人,实验室每个成员都有自己负责的模块,例如实时荧光定量PCR仪的使用,在对所有成员进行培训后,再在负责人的监督下使用,在保障了仪器的运行安全的同时,也降低了仪器的损耗。再如离心机、高压灭菌锅,由专人负责定期清洁保养,既保证了仪器的安全，也保障了使用者的人身安全。②有机试剂类。分别归类于各自的药品柜中,由专人负责定期检查保存情况；使用挥发性试剂时,须在通风橱中进行；废液进行专门的贮存,倒入的废液种类也有登记作为参考,并安排了专人在学院进行统一处理的时候,进行废液的移送。③常用药品的安全管理。负责人定期查看药品的分类存放情况,将常用的药品和氢氧化钠、氢氧化钾及高锰酸钾等腐蚀性药品分开存放,并确保药品的标签和盖子完好。有毒有害药品需要在药品登记表上附注危险标识,以提示使用者。④垃圾分类。实验后带菌的平板、试管及培养基等,需要进行高温高压灭菌处理后才能倒入实验垃圾桶内,并进行清洗,避免污染环境。⑤每天最后离开实验室的成员,必须关闭不需要运行的仪器,拔掉电源,并检查正在运行的仪器是否正常,锁好门窗。⑥实验室每周进行一次大扫除,各负责人清洁和维护各自管理的仪器,并将台面整理干净。值日生负责将实验垃圾和生活垃圾回收,做好科室、负责人及日期等标识,分别送到学院的实验垃圾站和生活垃圾站。

3 取得的成果和存在的问题

研究生是科研实验室的主要成员,大部分时间都在实验室中工作,对实验室情况最为了解,也是实验室管理的最终受益者,这种模块化、责任化的管理模式能充分调动研究生的主观能动性和责任心。每人都有仪器和药品管理责任,每人都受益于他人的付出。具体来说,通过实时登记,学生能及时对实验室仪器损坏、实验耗材损耗、材料短缺做好反馈工作,避免了仪器损坏或材料短缺对实验及进度造成的影响。在促进研究生全方位了解掌握各种仪器设备,促进个人实践和仪器操作能力的提升的同时，也充分发挥了学生作为管理者的能力。通过建立仪器预约制度,避免实验撞车,使学生能够更加有效规划实验时间,也让仪器的使用效率达到最大化。通过建立实验技术模块,新加入的成员能够很快学会基本实验操作,很容易建立实验自信心,也大大减少了培训时间,提高了实验室整体工作效率。通过努力,近五年来实验室取得很多成果,培养研究生6名,发表SCI论文24篇,获得批准的科研专利3项,指导本科生国际遗传机器工程大赛(international genetically engineered machine competition,IGEM)获得2金1银1铜的好成绩,指导并完成5名本科生创新项目,其中“利用宏基因组学方法研究细菌素在食品发酵微环境中的Quorum sensing作用”项目被评为“校级本科生科研基金”优秀项目。

在模式化管理的过程中,也发现了一些存在的问题,例如：高年级研究生的行为习惯对低年级学生起到重要的示范作用,如何激励和保证这种示范作用保持积极方向？第二,在发现有学生违反规定时,如何能够及时提醒并避免用力过度？另外,有些研究生不能持续遵守实验室的规章制度,责任心和主动性不强,在管理过程中需要管理者或者导师与其进行进一步的沟通,这些问题都需要继续关注和探讨解决。