Prevention of Infectious Diseases with Wastewater
Übertragbare Krankheiten werden durch Bakterien, Viren, Parasiten verursacht, die ständig von Menschen aufgenommen und ausgeschieden werden und in unserer Umgebung zu finden sind. Entsprechend können sie auch im Abwasser von Siedlungsgebieten nachgewiesen werden. Schon seit Jahrzehnten wird es für die Beobachtung bestimmter Krankheitserreger benutzt. Bekanntestes Beispiel sind die Polioviren. So wurde beispielsweise in Israel im Jahr 2013 ein Ausbruch mit dem Wildpoliovirus im Abwasser entdeckt – 25 Jahre, nachdem das Monitoring in Folge der weitgehenden, aber nicht vollständigen Ausrottung etabliert wurde (Anis et al. 2013). Das zeigt auch, mit welchem Zeithorizont solche Systeme geplant werden sollen. Im Jahr 2022 wurde ein Ausbruch des Vakzin-abgeleiteten Poliovirus im US-Bundesstaat New York in den Proben der Kläranlagen der verschiedenen Bezirke verfolgt. Auslöser war ein tatsächlicher Fall von Kinderlähmung, und in der Folge wurde – wie in Israel 2013 – die Impfkampagne gezielt intensiviert (Ryerson et al. 2022). Denn die lokal teilweise niedrigen Impfquoten – in einigen Gebieten nur 40 % – haben die Ausbreitung des Virus erst ermöglicht. Auf dieses Prinzip, dass aus Abwassermessungen klar definierbare Handlungen folgen, wird später noch eingegangen.
Die Corona-Pandemie als Schub für die Abwasserforschung
Schon nach den ersten Monaten der Pandemie, also im ersten Halbjahr 2020, zeigten erste Studien, wie gut die Inzidenzen des Coronavirus SARS-CoV-2 mit Abwasseranalysen erfasst werden können. Das Erbgut von Coronaviren besteht aus RNA-Molekülen. Diese RNA kann aus Proben, die in Kläranlagen genommen werden, extrahiert und mittels Polymerase-Kettenreaktion (PCR) quantifiziert werden. Je mehr Menschen im Einzugsgebiet mit dem Virus infiziert sind, desto größer ist diese Menge. Messungen aus dem Abwasser entsprechen sozusagen einem „PCR-Test für die ganze Stadt“.
Dank dieser verhältnismäßig günstigen und einfachen Methode hat das Monitoring von SARS-CoV-2 im Abwasser einen enormen Aufschwung erfahren, aufbauend auf die beschriebenen Vorarbeiten insbesondere mit dem Poliovirus. Dutzende Länder nutzen jetzt das Abwasser routinemäßig zur Überwachung des Virus und publizieren die gemessenen Daten öffentlich zugänglich. In Deutschland geschieht dies über den Pandemieradar des Robert Koch-Instituts beziehungsweise über die SARS-CoV-2-Wochenberichte. Mittlerweile werden auch gezielt Abwässer aus Flugzeugen oder Krankenhäusern untersucht. Entsprechend hat sich ein neuer Industriezweig entwickelt: Die US-Firma Biobot ist vom TIME Magazine zu einem der „100 einflussreichsten Unternehmen“ ernannt worden. Nun stellt sich die Frage, wie das in der Corona-Pandemie etablierte Instrument des Abwassermonitorings im zukünftigen Umgang mit Infektionskrankheiten helfen kann.
Sinnvolle Daten aus trüber Brühe
Wenn ein einzelner Mensch auf ein Virus getestet wird, ist das eine hygienisch einwandfreie Angelegenheit. Der Abstrich wird auf vorgegebene Art und Weise mit einem sterilen Tupfer gemacht, danach im Labor mittels PCR analysiert. Ganz anders das Abwasser: Menschliche Ausscheidungen fließen über Stunden durch verschmutzte Rohre mit reichhaltiger Flora und Fauna, vermischen sich mit dem Abfluss von Straßen oder Betrieben oder mit Schlick und Sand in der Kanalisation. Dadurch ergeben sich verschiedene methodische Herausforderungen, um sinnvolle Daten erhalten zu können.
Erstens gehören dazu die Form und die Stabilität, in denen das Erbgut der Mikroben, das dann für PCR-Tests oder Hochdurchsatzsequenzierungen verwendet wird, vorliegt. Unbehüllte Viren wie beispielsweise die extrem stabilen Pflanzen- oder auch Polioviren liegen als intakte und oft auch infektiöse Viruspartikel vor. Behüllte Viren wie das Coronavirus SARS-CoV-2 sind weniger robust; wahrscheinlich liegt ihr Erbgut aus RNA in Form von Fragmenten vor, die an Proteine oder anorganische Partikel gebunden sind. Entsprechend ist die Stabilität wahrscheinlich unterschiedlich abhängig von Faktoren wie Temperatur, pH-Wert oder Salzkonzentrationen. Zweitens stellt sich die Frage nach der idealen Extraktion der Erbgut-Moleküle (RNA/DNA) aus dem Abwasser. Für einige Mikroorganismen ist die flüssige Phase besser geeignet, während andere, wie beispielsweise Mpox (früher „Affenpocken“), eher an die im Abwasser vorhandenen Partikel im Bereich von einigen Mikro- bis Millimeter gebunden sind (Wolfe et al. 2023). Einzelne Schritte in der Extraktion wie Filtrationen im submikromolaren Bereich, um Bakterien abzureichern, oder biochemische Methoden wie Polyethylenglykol-Fällungen beeinflussen die Zusammensetzung der aufgereinigten RNA und DNA. Und drittens, wenn ein bestimmtes Virus wie SARS-CoV-2 gemessen werden soll, braucht es einen Normalisierungswert, um technische Schwankungen auszugleichen. Sehr oft wird dafür das Paprikavirus PMMV (Pepper Mild Mottle Virus) verwendet. Allerdings stellt sich die Frage, wie konstant die PMMV-Menge im Jahresverlauf ist. Publizierte Studien wie auch eigene Forschung (Wyler et al. 2022) haben gezeigt, dass das nur bedingt der Fall ist – die Menge PMMV im Abwasser schwankt zu einem gewissen Grad im Jahresverlauf, was zu systematischen Verzerrungen führen kann, wenn man sich allein darauf verlässt. Eine wichtige Schlussfolgerung daraus ist, dass Abwasseranalysen die Dynamik der Viruszirkulation in der Bevölkerung innerhalb einiger Wochen bis weniger Monate zuverlässig wiedergeben können; Vergleiche absoluter Inzidenzen über mehrere Monate bis Jahre hinweg sind dagegen schwierig.
Mit dem Aufschwung der Abwasserbeobachtungen in der Pandemie sind in den letzten drei Jahren hunderte von wissenschaftlichen Publikationen erschienen, die, aufbauend auf frühere Arbeiten, die Methoden verfeinern. Diese laufende Forschung, und schrittweise auch die Übernahme der Erkenntnisse in den Routinebetrieb, tragen dazu bei, Abwassermessungen robuster und verlässlicher zu machen.
Virusvarianten im Abwasser finden
Die Abwasser-PCR-Analyse liefert eine Aussage über die Menge des Erbguts einer bestimmten Art. Über die Sequenz lässt sich, im Abgleich mit Datenbanken, auch die biologische Art und Variante bestimmen. Enorm erleichtert wird das durch einen der vielen technologischen Fortschritte in der biomedizinischen Forschung und Anwendung der letzten Jahre, nämlich der immer günstigere und einfache Einsatz der Hochdurchsatzsequenzierung. Für SARS-CoV-2 wurde weltweit millionenfach das Viruserbgut aus Abstrichen von Infizierten sequenziert. Daraus ergab sich das Bild der sich abwechselnden Virusvarianten, von der Ablösung des Ursprungsvirus durch Alpha um den Jahreswechsel 2020/2021, bis zur Vielzahl von Omikron-Abkömmlingen in diesem Winter.
Auch hier gilt: Was mit RNA aus Abstrichen gemacht werden kann, funktioniert auch mit RNA aus Abwasser (Tamas et al. 2022). Die SARS-CoV-2-Erbgutsequenzierung aus der Probe einer Kläranlage ergibt die Verteilung der Varianten im Einzugsgebiet der Kläranlage. Eine longitudinale Beprobung des Abwassers ergibt dann direkt ein Bild der Variantendynamik über die Zeit. Dafür braucht es passende Algorithmen, um aus den Rohdaten Variantenverteilungen abzuleiten; einen solchen haben die Autoren in Zusammenarbeit mit den Berliner Wasserbetrieben und dem Amedes-Diagnostiklabor entwickelt (Schumann et al. 2022).
Abwassermonitoring über Polio und SARS-CoV-2 hinaus
Für das Poliovirus wird Abwassermonitoring seit Jahrzehnten verwendet, für SARS-CoV-2 ist es mittlerweile ebenfalls etabliert. Hier endet das Potenzial aber nicht. Bei den Krankheitserregern stehen natürlich vor allem die klinisch relevanten im Fokus, wie etwa das Respiratorische Syncytialvirus (RSV) oder das Influenzavirus. Mancherorts wird das Monitoring dafür schon parallel zu SARS-CoV-2 durchgeführt. In unserer eigenen Arbeit wurde die gesamte RNA aus 100 Abwasserproben einer Berliner Kläranlage zwischen März 2021 und Juli 2022 gesammelt und sequenziert (Wyler et al. 2022). Darin fanden sich vor allem Bakterien, aber auch Tausende verschiedener Virusarten. Am häufigsten sind Pflanzenviren, insbesondere jeweils ein Tomaten- und Gurkenvirus sowie das oben erwähnte Paprikavirus PMMV. Diese Viren stammen wahrscheinlich aus dem Essen und werden entsprechend ohne Interaktion mit dem menschlichen Körper im Stuhl ausgeschieden. Sie sind chemisch und thermisch extrem stabil, im Gegensatz zu SARS-CoV-2, das schon mit Seife zerstört wird. Weiter gab es in den Abwässern zahlreiche Viren, die Insekten, Einzeller oder Bakterien (Phagen) befallen. Bei den menschlichen Viren war die Menge sehr unterschiedlich. Zuoberst waren die Astroviren; Infektionen damit verursachen milde Durchfallerkrankungen oder sind gar nicht spürbar. Die Anzahl sequenzierter Astrovirus-Erbgutstücke war so groß, dass detailliert die Dynamik der diversen Virusstämme, und innerhalb der Stämme das Kommen und Gehen der Varianten beobachtet werden konnte.
Auch weitere sich im Darm vermehrende Viren wie Noro-, Rota- oder Enteroviren fanden sich in der Gesamt-RNA-Sequenzierung. Anders die respiratorischen Viren: Von deren Erbgut ist, nicht überraschend, deutlich weniger im Abwasser vorhanden. Für ihre Detektion braucht es daher entweder spezifische PCRs oder Anreicherungsmethoden. Dazu werden, basierend auf bekannten Genomsequenzen, Oligonukleotid-Panels erstellt, mit denen nach Hybridisierung die ausgewählten Erbgutfragmente angereichert werden. So unterschiedlich die Menge des im Abwasser messbaren Erbguts für die verschiedenen Viren ist, so unterschiedlich ist die Sicherheit des Nachweises und wie detailliert das Erbgut eines Virus verfolgt werden kann.
Im Gegensatz zu Viren können Bakterien und Eukaryonten wie Parasiten oder Schimmelpilze unabhängig vom Wirt überleben. Ob nun ein bei der Kläranlage gefundenes Bakterium wirklich aus einem Menschen stammt oder sich in der Kanalisation aufhält beziehungsweise vermehrt, kann nicht ohne weiteres unterschieden werden. Gleiches gilt für Phagen; diese können genauso von Bakterien aus einem Wirtsdarm wie von einem Biofilm in Abwasserrohren stammen. Einmal mehr gilt es also, genau hinzuschauen, was eine bestimmte Messgröße schlussendlich abbildet.
Gerade bei Bakterien und Parasiten sind antimikrobielle Resistenzen – bei Bakterien Resistenzen gegen Antibiotika – eine zunehmende Herausforderung. Resistenzen wie Antibiotika abbauende Enzyme sind im Wesentlichen über die sie kodierende genetische Information erkennbar. Damit kann sie ebenfalls im Abwasser nachgewiesen werden; beispielsweise könnte der Ausfluss eines Krankenhauses auf Antibiotikaresistenzen getestet werden, um das Aufkommen resistenter Stämme festzustellen.
Wofür das Abwasser gut ist
Damit wieder zurück zu der ursprünglichen Frage: Jenseits des wissenschaftlichen Interesses – was ist der Nutzen von Abwasseranalysen? Für SARS-CoV-2 werden an vielen Orten schlicht die aufbereiteten Messdaten auf einer Website veröffentlicht – quasi ein „Wetterbericht“ für Viren. Grundsätzlich könnten auch Maßnahmen zur Eindämmung des Virus basierend auf der im Abwasser sichtbaren Dynamik der Zirkulation beschlossen werden; diese sind aber mittlerweile bekanntlich alle beendet. Es ist daher an den einzelnen Menschen, Schlüsse für ihr Verhalten zu ziehen. Mit Hinzunahme einiger zusätzlicher, für die breite Bevölkerung relevante Viren, also etwa RSV, Influenza, Noro- oder Rotaviren könnte durchaus ein neues Bewusstsein für die Notwendigkeit von präventivem Handeln in der Bevölkerung entstehen. Dazu bedarf es aber auch einer guten Aufbereitung und begleitenden Information, um die Aussagekraft und Bedeutung der Zahlen zu erklären.
Wie bei Polio könnte auch bei Influenza das Abwassermonitoring helfen, Impfkampagnen gezielt zu intensiveren. Nur knapp 50 % der über 60-Jährigen nehmen die jährliche Grippeimpfung in Anspruch. Das im Abwasser beobachtete Anrollen des Virus könnte als Motivation dienen, das zu ändern. Für RSV gibt es (noch) keine Impfung; hier könnten Abwasserdaten als Vorwarnung für die von diesem Virus besonders belasteten Kinderkliniken dienen und entsprechend die Planung der Behandlungskapazitäten erleichtern.
Proben von Kläranlagen können ein repräsentatives Bild der in der Bevölkerung zirkulierenden Mikroben abgeben. Abwasser kann aber auch örtlich fokussiert beprobt werden. Das kann beispielsweise auf großen Unternehmensgeländen geschehen, dort können Virussignale aus dem Abwasser als Prognose für den Krankenstand dienen oder auch, wo möglich, zu Maßnahmen wie der Homeoffice-Pflicht führen. Für Antibiotika-Resistenzgene kommen wie erwähnt „hotspots“ wie Krankenhäuser in Frage, in deren Abwasser das Aufkommen problematischer Resistenzen entdeckt werden könnte.
Für die Zukunft gilt es natürlich auch, sich auf die nächste Pandemie vorzubereiten. Was auch immer der Krankheitserreger sein wird, er wird wahrscheinlich im Abwasser zu finden sein. Im Sommer 2022 gab es schon wenige Wochen nach den ersten Mpox-Fällen die ersten Berichte, dass und wie dieses Pockenvirus im Abwasser nachgewiesen werden kann (Wolfe et al. 2022). Der Aufbau von Kompetenz und Erfahrung sorgt also dafür, dass beim nächsten Mal das Abwassermonitoring schon von Beginn weg funktioniert und nicht erst langwierig aufgebaut werden muss.
Jenseits von Abwasser und Humanpathogenmonitoring
Abwasser ist bei weitem nicht der einzige Ort, um menschliche Krankheitserreger zu beobachten. Handläufe im öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV), eingefangene Mücken oder Oberflächengewässer: Umfassende Beobachtungen können uns helfen, sie in ihrer Gesamtheit und insbesondere auch ihre Entwicklung über die Zeit zu erfassen. Im Sinne des One-Health-Ansatzes, also dass die Gesundheit von Mensch, Tier und Umwelt eng miteinander zusammenhängt, können Datensammlungen mittels Hochdurchsatzsequenzierung von Umweltproben auch zum ökologischen Verständnis beitragen. Das Fischsterben im Sommer 2022 in der Oder wurde wahrscheinlich durch den Anstieg von Goldalgen verursacht. Vielleicht hätten Gesamterbgut-Sequenzierungen aus Flussproben helfen können, die Zunahme dieser Eukaryonten frühzeitig zu erkennen. Mit der Klimaerwärmung sind zudem laufende Veränderungen in der Umwelt zu erwarten, zu deren Verständnis Umwelt-Sequenzierdaten helfen könnten. Für die Analyse dieser gigantischen Datensammlungen sind Algorithmen der „künstlichen Intelligenz“ ideal, da es darum geht, im Rauschen der Daten relevante Muster zu erkennen. Und schlussendlich können alle diese Daten auch einen ungeahnten Schatz darstellen: Enzyme aus Bakterien, Phagen oder Pilzen oder ihre Produkte können in der Medizin oder für biotechnologische Anwendungen sehr wertvoll sein. Mit neu entdeckten Mikroorganismen könnte das Wissen darüber massiv erweitert werden.
In der Corona-Pandemie zeigt das Abwassermonitoring, kombiniert mit der Hochdurchsatzsequenzierung, welch großes Potenzial darin steckt. Nun geht es darum, es für Forschung und Public Health gleichermaßen zu erschließen.▪
Interessenkonflikt: Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.
Literatur
Anis E, Kopel E, Kaliner E: Insidious reintroduction of wild poliovirus into Israel, 2013. Euro Surveill 2013; 38: 18.
Ryerson AB, Lang D, Alazawi MA et al.: Wastewater testing and detection of poliovirus type 2 genetically linked to virus isolated from a paralytic polio case – New York, March 9 to October 11, 2022. MMWR Morb Mortal Wkly Rep 2022; 71: 1418–1424.
Schumann VF, de Castro Cuadrat RR, Wyler E et al.: SARS-CoV-2 infection dynamics revealed by wastewater sequencing analysis and deconvolution. Sci
Total Environ 2022; 853: 158931.
Tamas M, Potocarova A, Konecna B, Klucar L, Mackulak T: Wastewater sequencing-an innovative method for variant monitoring of SARS-CoV-2 in populations. Int J Environ Res Public Health 2022; 19: 9749.
Wolfe MK, Duong D, Hughes B et al.: Detection of monkeypox viral DNA in a routine wastewater monitoring program. medRxiv 2022: 2022.07.25. 22278043.
Wolfe MK, Yu AT, Duong D et al.: Use of wastewater for Mpox outbreak surveillance in California. N Engl J Med 2023; 388: 570–572.
Wyler E, Lauber C, Manukyan A et al.: Comprehensive profiling of wastewater viromes by genomic sequencing. bioRxiv 2022: 2022.12.16.520800.
doi:10.17147/asu-1-280218
Weitere Infos
RKI-Pandemieradar für SARS-CoV-2
https://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/N/Neuartiges_Coronavirus/Situations…
RKI-Wochenberichte für SARS-CoV-2
https://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/N/Neuartiges_Coronavirus/Situations…
Beprobung von Flugzeugen und Flughäfen
https://journals.plos.org/globalpublichealth/article?id=10.1371/journal…
Biobot
https://time.com/collection/time100-companies-2022/6159393/biobot-analy…
https://www.statnews.com/2023/01/11/wastewater-data-biobot-health-covid…
Normalisierung von Abwassermesswerten
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135422009320
Influenza und RSV im Abwasser in der Schweiz
https://www.eawag.ch/fileadmin/Domain1/Abteilungen/sww/projekte/SARS-Co…
Impfquoten Influenza
https://www.rki.de/SharedDocs/FAQ/Impfen/Influenza/FAQ14.html
Antimikrobielle Resistenzen im Krankenhaus-Abwasser
https://www.mdpi.com/2079-6382/11/3/288
Goldalgen in der Oder
https://www.igb-berlin.de/news/verdacht-erhaertet-sich-algengift-einer-…
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