Überwachung von SARS-CoV-2 in kommunalem Abwasser

Das Monitoring | Die Ergebnisse | Zur Vertiefung

SARS-CoV-2 im kommunalen Abwasser - Einführung
Foto: Pixabay, 2021

70% der infizierten Personen, mit oder ohne typische Symptome, scheiden das Virus SARS-Cov-2 überwiegend mit dem Stuhl a,b. Das Abwasser am Einlauf der Kläranlage zu analysieren, bedeutet die Anwesenheit des Virus im Einzugsgebiet der Kläranlage überwachen können. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass aus einer einfachen Wasserprobe die Verbreitung des Virus in der Bevölkerung eines präzisen Raumausschnittes auf anonyme, nicht invasive und kostengünstige Weise beobachtet werden kann.

Das Monitoring: eine Pilotstudie der Agentur für Umwelt und Klimaschutz

Ab Mai 2020 hat das Biologische Labor ein Protokoll entwickelt und stetig verbessert, um aus dem Abwasser am Einlauf der Kläranlagen das genetische Material des Coronavirus SARS-Cov-2 zu extrahieren und dessen Fragmente zu suchen. Die Proben werden in 9 Kläranlagen zweimal wöchentlich entnommen, womit ca. 70% der Einwohner abgedeckt wird. Die Agentur war italienweit das erste Labor, welches dieses Protokoll zur Anwendung gebracht hat. Die Ausarbeitung der Pilotstudie erfolgt in Zusammenarbeit zwischen den Betreibern der Kläranlagen, dem Südtiroler Sanitätsdienst und den Ämtern der Landesagentur für Umwelt und Klimaschutz.

Gemeinden, die an die Kläranlagen angeschlossen sind

Gemeinden, die an die Kläranlagen angeschlossen sind (Foto: ????)

Das Amt für Gewässerschutz hat 9 Kläranlagen identifiziert, welche repräsentativ für das Territorium sind und weiters die geografischen Besonderheiten und die touristischen Einflüsse wiederspiegeln. Die Kläranlagen sind:

Die Ergebnisse

Die Ergebnisse

Beschreibung der Heatmap:
Die grafische Darstellung der Analyseergebnisse ist eine Heatmap, in der jeder farbige Kasten einer analysierten Probe entspricht. Die Ergebnisse wurden anhand des Vergleichs der in den Proben nachgewiesenen Konzentrationen von SARS-CoV-2-RNA klassifiziert, wobei die maximal gemessene Konzentration der roten Farbe entspricht und die anderen Konzentrationen proportional zum Maximum variieren (grafische Darstellung: Farbabstufungen von Rot über Gelb zu Grün bis hin zu Blau, was der Abwesenheit des in der Probe nachgewiesenen Signals entspricht).

 

 

Anmerkung: Die gesammelten Daten und Informationen der Überwachung werden dem Südtiroler Sanitätsbetrieb für die Abwicklung des SARS-CoV-2 Notstandes übermittelt.

Die Daten bezüglich der neun repräsentativen Kläranlagen
Abwasser Reinigungsanlage (ARA)Angeschlossene Gemeinden
Einwohnerwerte (EW)Einwohner
ARA Bozen Bozen (ohne St. Jakob), Eppan (ohne Montiggl), Karneid (ohne St. Valentin), Gargazon, Nals, Burgstall, Ritten (+Signat, Sill, Atzwang, Unterplatten), Jenesien (ohne Anfing und Flaas), Tisens, Terlan, Andrian, Völs, Tiers, Kastelruth (Kastelruth, Seis und Kompatsch) 450.000 144.382
ARA Tramin Kaltern, Tramin, Truden, Montan, Aldein, Auer, Pfatten (Laimburg, Klughammer), Neumarkt (ohne Laag), Kurtatsch 138.000 24.544
ARA Pontives Wolkenstein, St. Christina in Gröden, St. Ulrich, Kastelruth (Überwasser, Saltria, Pufels), Lajen (Pontives) 75.000 10.410
ARA Mittelvinschgau Laas, Schlanders, Latsch, Martell, Kastelbell 40.300 17.705
ARA Brixen Freienfeld (ohne Mauls), Franzensfeste, Brixen, Vahrn, Natz-Schabs, Feldthurns (Ziggler) 65.000 31.718
ARA Tobl Bruneck, Sand in Taufers, Pfalzen (Greinwalden), Gais, Wengen, Enneberg, Percha, Prettau, Rasen Antholz, St. Lorenzen, S. Martin in Thurn, Mühlwald, Badia (Pescol, Puntac), Olang, Ahrntal 150.000 49.080
ARA Wasserfeld Prags, Toblach, Welsberg-Taisten, Gsies, Niederdorf 58.000 10.170
ARA Wipptal   
Brenner, Freienfeld (Mauls), Ratschings, Pfitschtal, Sterzing 45.000 16.301
ARA Meran Hafling, Kuens, Tscherms, Algund, Lana, Marling, Meran, Naturns, Partschins, Plaus, Riffian, St. Martin in Passeier, (Schweinsteg), St. Pankraz (Gegend), Schenna, Tirol 364.000 69.600

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Nur infizierte Personen mit Symptomen wenden sich normalerweise an den Sanitätsbetrieb für einen Test  und können in der Folge registriert werden. Dagegen riskiert man Personen mit nur leichten Symptomen oder gänzlich Asymptomatische nicht erfassen und somit nicht im Nachverfolgungssystem aufnehmen zu können. Sämtliche Personen nutzen jedoch die Toiletten und folglich wird jegliche Virusausscheidung im Abwasser gesammelt und den Kläranlagen über die Kanalisation zugeführt. Über die Analysen des Abwassers am Einlauf der Kläranlage kann damit die Verbreitung des Virus beobachtet werden. Die Entnahme der Proben erfolgt 2mal wöchentlich: montags (24-Stunden-Probe von Sonntagmorgen bis Montagmorgen) und donnerstags (24-Stunden-Probe von Mittwochmorgen bis Donnerstagmorgen). Die Probe besteht aus Teilproben, die während der 24 Stunden gesammelt werden, proportional zur Flussmenge pro Stunde. Auf diese Weise erhält man eine repräsentative Probe für das gesamte Einzugsgebiet der jeweiligen Kläranlagen.

Im Abwasser sind sehr große Mengen an Bakterien und Viren vorhanden, welche den menschlichen Verdauungstrakt besiedeln und mit dem Stuhl ausgeschieden werden. Um daraus Analysen vornehmen zu können muss die Probe im Labor konzentriert werden. Dadurch kann das enthaltene genetische Material extrahiert werden. Die gezogenen Probe weist anfänglich ein Volumen von 50 ml auf und  entspricht in etwa einer großen Provette. Bei der Extraktion erhält man ein Konzentrat von genetischem Material im Ausmaß von 0,1 ml (ein Tropfen). In diesem sehr heterogenen Mix aus DNS und RNS menschlichen, viralen und bakteriellen Ursprungs, sucht man mit Hilfe der Real-time RT-PCR(1) bestimmte genetische Sequenzen von RNS(2) die spezifisch für das Coronavirus SARS-Cov-2 sind. Die Intensität des Signals steht im direkten Zusammenhang mit der Konzentration des RNSs und damit mit dem in der Bevölkerung zirkulierende Virus.

Note 1: Die Real-time RT-PCR ist eine Analysenmethode, die uns erlaubt einen DNS-Doppelstrang zu synthetisieren, ausgehend von RNS (Reverse Transkription). Anschließend wird der DNS-Strang mithilfe eines Enzyms, der Polymerase, verlängert. Bei jedem Zyklus verdoppelt sich die DNS und wird für das Analysengerät „sichtbar“ und somit quantifizierbar. SARS-CoV-2 besitzt einen RNS-Strang, deswegen ist es nötig die Retrotranskription als Zwischenschritt einzubeziehen.

Note 2: RNS ist das genetische Material von SARS CoV-2, das alle Informationen für die Vermehrung des Virus in den Wirtszellen enthält.

 

 

 

 

 


  • Transport der Probe in Kühltaschen vom Entnahmepunkt in das Labor
  • Zugabe eines Kontrollvirus zu den Proben, um die Effizienz des Konzentration und den Verlust des genetischen Materials zu überwachen.

  • Konzentration der Probe von 50 ml auf 0,1 ml

  • Extraktion des genetischen Materials (RNS)(1)

  • Amplifikation (Vermehrung) mittels Real-time-RT-PCR(2) der Gene für das Protein E (Envelope=Hülle), RdRP (RNS dependent RNS-Polimerase= RNS abhängige RNS-Polymerase) und N (Nukleokapsid). Die beiden letzten Gene sind spezifisch für SARS-CoV-2, das Gen E ist allen Coronaviren gemein. Derselbe PCR Test wird auch für die Tupfer der Nasen-Rachen-Abstriche verwendet. Parallel dazu läuft die Amplifikation des Kontrollvirus, um die Effizienz der Extraktion zu berechnen
  • Befund: Präsenz/ Abwesenheit von SARS-Cov-2 in der Probe, dazugehörige Quantifizierung

  • Datenverarbeitung innerhalb von 48h nach Eintreffen der Proben im Labor

Note 1: RNS ist das genetische Material von SARS CoV-2, das alle Informationen für die Vermehrung des Virus in den Wirtszellen enthält.

Note 2: Die Real-time RT-PCR ist eine Analysenmethode, die uns erlaubt einen DNS-Doppelstrang zu synthetisieren, ausgehend von RNS (Reverse Transkription). Anschließend wird der DNS-Strang mithilfe eines Enzyms, der Polymerase, verlängert. Bei jedem Zyklus verdoppelt sich die DNS und wird für das Analysengerät „sichtbar“ und somit quantifizierbar. SARS-CoV-2 besitzt einen RNS-Strang, deswegen ist es nötig die Retrotranskription als Zwischenschritt einzubeziehen.

 

 

 

 

  • Daten können nicht für sich allein interpretiert werden: alle Daten einer einzelnen Probenahme müssen mit den vorhergehenden und nachfolgenden Daten in Beziehung gesetzt werden (Dynamik der Kurve), da die Probenahme naturgemäß nicht repräsentativ sein könnte.
  • Anhand der Abwasseranalyse ist es nicht möglich festzustellen, ob die positiven Signale von Neuinfizierten oder von Personen stammen, welche bereits die kritische Phase der Erkrankung hinter sich haben und noch Viren ausscheiden.
  • Die Analyse der Abwässer kann anhand der abnehmenden Intensität des Signals bestätigen, ob die getroffenen Beschränkungsmaßnahmen wirksam sind.
  • Die Abwasseranalyse kann bei der Überwachung der Ausbreitung des Virus nützlich sein, wenn das System der Positivverfolgung nicht mit der steigenden Zahl der Infektionen Schritt halten kann.
  • Die Kurve der Konzentration des SARS-CoV-2-RNS-Nachweises(1) im Abwasser ist der Kurve der viruspositiven Bürger im Einzugsgebiet der Kläranlage, um 4 bis 14 Tagen voraus.

Note 1: RNS ist das genetische Material von SARS CoV-2, das alle Informationen für die Vermehrung des Virus in den Wirtszellen enthält.


 

 

Das Vorhandensein des genetischen Materials zeigt an, dass das Virus im Abwasser vorhanden ist. Die molekularbiologische Analyse gibt jedoch keine Auskunft über seine Lebensfähigkeit. Um infektiös zu sein muss die Hülle, welche die RNS schützt (das Kapsid), intakt sein. Genauso muss die äußere Membran, welche die RNS umhüllt und die Proteine, die ein Anheften an die Wirtszelle ermöglichen, intakt sein. Im Abwasser sind jedoch Reinigungsmittel, organisches Material und Bakterien vorhanden, welche die äußere Membran beschädigen und so die Fähigkeit der Viren schwächen, sich an Wirtszellen anzuheften. Bis heute gibt es nur wenige Studien über die Infektiosität der Viren im Klärwasser: grundsätzlich bestätigen sie nur das Vorkommen oder das Fehlen der viralen RNS(1) in dieser Matrix.

Note 1: RNS ist das genetische Material von SARS CoV-2, das alle Informationen für die Vermehrung des Virus in den Wirtszellen enthält.

 


Auf Abwasser basierte Epidemiologie

Dank der durch die Abwasseranalysen gesammelten Daten ist es uns möglich, den Verlauf der epidemischen Kurve vorherzusagen:im Abwasser ist das genetische Material des Virus bereits am Beginn von epidemischen Ausbrüchen nachweisbar, noch bevor klinische Fälle gemeldet werden. Ist die Zahl der Ansteckungen hoch, nimmt auch das genetische Material von SARS-CoV-2 im Abwasser zu. Ebenso nimmt seine Präsenz wieder langsam ab, sobald die Personen genesen sind. Die Abnahme erfolgt langsam, da der menschliche Organismus auch noch nach Wochen Viren ausscheiden kann, obwohl die Symptome längst abgeklungen sind.

Der Nachweis von viraler RNS(1) im Abwasser gibt ein gutes Bild über den Aufwärts- oder Abwärtstrend der Kurve und liefert wertvolle Echtzeitinformationen über die Viruszirkulation. Die Umweltüberwachung von Viren im Abwasser - oder abwasserbasierte Epidemiologie - ist daher ein Instrument zur Vorbeugung und Kontrolle von epidemischen Herden mit folgenden Vorteilen:

  • indirektes Monitoring, anonym und nicht invasiv für die Bevölkerung eines präzisen Raumausschnittes anhand des Nachweises von genetischem Material des Virus im Abwasser.

  • Information über Verbreitung und Zirkulation des Virus mit Hinweis auf den zeitlichen Verlauf.

  • Informationen zur Unterstützung von Entscheidungen über mögliche Maßnahmen, auch nur auf bestimmte Zonen mit der größten Viruszirkulation beschränkt. Die Daten der Abwasserepidemiologie sind primär in Kombination mit den epidemiologischen Daten aus dem Gesundheitswesen nutzbar.

  • Möglichkeit weitere Ansteckungswellen vorherzusagen.

Note 1: RNS ist das genetische Material von SARS CoV-2, das alle Informationen für die Vermehrung des Virus in den Wirtszellen enthält.

 

 

 

Nützliche Links:

- Istituto superiore di Sanità per COVID-19

- Sicherheit und Zivilschutz (Südtiroler Landesverwaltung)

- Südtiroler Sanitätsbetrieb, Covid-19


Anmerkungen

(a) Foladori, P., Cutrupi, F., Segata, N., Manara, S., Pinto, F., Malpei, F., Bruni, L., & La Rosa, G. (2020). SARS-CoV-2 from faeces to wastewater treatment: What do we know? A review. The Science of the total environment, 743, 140444. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140444
(b) Cheung KS, Hung IFN, Chan PPY, Lung KC, Tso E, Liu R, Ng YY, Chu MY, Chung TWH, Tam AR, Yip CCY, Leung KH, Fung AY, Zhang RR, Lin Y, Cheng HM, Zhang AJX, To KKW, Chan KH, Yuen KY, Leung WK. Gastrointestinal Manifestations of SARS-CoV-2 Infection and Virus Load in Fecal Samples From a Hong Kong Cohort: Systematic Review and Meta-analysis. Gastroenterology. 2020 Jul;159(1):81-95. doi: 10.1053/j.gastro.2020.03.065. Epub 2020 Apr 3. PMID: 32251668; PMCID: PMC7194936.


 

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