Kläranlagen-Abwasser-Analyse: Wie Forscher das Virus im Abwasser detektieren

Um Antworten auf die wichtigsten Fragen zum Coronastep+-Projekt vom Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) zu bekommen, haben wir mit der Projektleiterin Dr. Leslie Ogorzaly gesprochen. Leslie Ogorzaly ist Virologin und ihre Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf Methoden zum Nachweis von Viruspartikeln im Wasser, mit besonderem Interesse an der Charakterisierung des infektiösen Zustands von Viren.

Für die ganz Eiligen, hier ein kurzer Überblick über die wichtigsten Fakten zum CORONASTEP+ Projekt:

Im Coronastep+ Projekt vom LIST wird anhand von Proben des Abwassers am Zulauf von 13 Kläranlagen aus ganz Luxemburg (was in etwa 75-80% der luxemburgischen Bevölkerung abdeckt) die Präsenz von Sars-CoV-2 innerhalb der luxemburgischen Bevölkerung nachgewiesen. Wenn man die Resultate von Coronastep+ mit denen der großangelegten Tests (Large Scale Testing und klinische Tests) vergleicht, erkennt man über die letzten Wochen und Monate jeweils denselben Trend. Beide Testverfahren ergänzen sich also gut.

Die Coronastep-Messungen erlauben jedoch, einen Trend zur Entwicklung der Pandemie in Luxemburg in der Regel früher als die großangelegten PCR-Tests zu erkennen. Eine Zunahme der Zahl der mit SARS-CoV 2 infizierten Menschen manifestiert sich ein oder zwei Tage früher in den Abwasserdaten als in den medizinischen Diagnosen von Erkrankungen. Die Coronastep-Messungen erlauben also einerseits schneller und andererseits auch kostengünstiger einen Überblick über die Lage zu bekommen, da nur eine Probe pro Kläranlage benötigt wird, um einen Überblick über die Infektionshäufigkeit bei einer großen Zahl von Menschen zu erhalten. Auch regionale Trends können mit dem Projekt erfasst werden. Das Projekt erlaubt dafür im Gegensatz zu PCR-Tests am Menschen allerdings nicht, möglicherweise ansteckende Personen zu identifizieren und somit durch anschließende Isolations- und Quarantänemassnahmen mögliche Infektionsketten zu durchbrechen. Das Projekt erlaubt auch nicht, die exakte Anzahl an infizierten Personen vorauszusagen - wobei jedoch daran geforscht wird, dies in Zukunft zu ermöglichen.

Wie es scheint, sind Viren im Abwasser nicht mehr ansteckend. Dies wird zurzeit aber noch im Coronastep-Projekt wissenschaftlich geprüft und kann erst nach diesen Analysen mit Sicherheit geklärt werden. Es scheint auch, dass Kläranlagen das Virus zerstören können. Auch dies wird durch das Projekt erforscht.

Für mehr Details zum Projekt, hier dann das ganze Interview mit Leslie Ogorzaly:

Dr. Leslie Ogorzaly, Du bist Projektleiterin des Coronastep+ Projekts. Eine wichtige Frage gleich zu Beginn:

Wie ist es überhaupt möglich, dass sich das Virus im Abwasser nachweisen lässt?

SARS-CoV-2 ist eine relativ neue Form des Coronavirus. Die Abkürzung „SARS“ steht für „Schweres Akutes Respiratorisches Syndrom“. Die Viren gelangen vor allem über Zellen der Atemwege in den menschlichen Körper, wo sie sich ausbreiten und vermehren. Ein Teil der Viren oder Bestandteile davon werden über den Darm ausgeschieden. Ihre Spuren finden sich dann in den Exkrementen infizierter Menschen – mit denen sie über die Kanalisation schließlich ins Abwasser gelangen. Mit geeigneten Analysetechniken können Forscher sie nachweisen. Dazu nehmen sie – wie im Projekt CORONASTEP+ des Luxemburger Instituts für Technologie (LIST) Proben des Abwassers am Zulauf von Kläranlagen.

Wie gehen die Forschenden vor, um die Viren nachzuweisen?

Der Nachweis von Coronaviren erfolgt im Wesentlichen in drei Schritten. Zunächst wird das Abwasser im Verlauf eines Tages gesammelt. Danach wird die Abwasserprobe konzentriert – mit dem Ziel, die Dichte der Virus-RNA-Fragmente in der Probe zu erhöhen. Dazu reduzieren die Forscher das Volumen der Abwasserprobe mit Hilfe eines Ultrafiltrationsverfahrens. Dadurch wird das Wasservolumen der Probe bei gleichbleibender Anzahl Viren deutlich verringert. Die Folge: Die Konzentration der Viren steigt, wodurch sie leichter nachzuweisen sind. Zum Nachweis wird anschließend eine weit verbreitete molekularbiologische Methode eingesetzt, die sich in der Mikroben-Analytik seit Langem bewährt hat: die so genannte Polymerase-Kettenreaktion, kurz PCR. Dabei handelt es sich um genau die gleiche Methode, mit der Mund-Rachen-Abstrichproben in diagnostischen Tests auf SARS-CoV-2 untersucht werden.

Lassen sich aus den Daten auch Rückschlüsse darauf ziehen, wie viele Menschen gerade (aktiv) infiziert sind?

Nein, noch nicht. Das ist im Moment leider nicht möglich. Denn bis jetzt fehlen uns noch entscheidende Informationen: Wir wissen nicht, wie viele Viren ein Infizierter in der Regel mit dem Stuhl ausscheidet – mit anderen Worten: die Zahl der Viren pro Gramm Stuhl. Ebenso wenig wissen wir Bescheid über die Zeit zwischen der Verbreitung des Virus durch den Menschen, seinem Weg in die Kanalisation und der Ankunft in der Kläranlage. Und wir wissen nicht, ob ein Teil der Viren eventuell verschwindet. Sobald diese Zusammenhänge besser verstanden sind, wird es möglich sein, die Zahl der infizierten Personen in dem an die Kläranlage angeschlossenen Gebiet auf der Grundlage der Gesamtkonzentration der im Abwasser nachgewiesenen Viren abzuschätzen. Eine solche Schätzung ist letztlich eines der Ziele unseres Projekts. Daher widmen sich einige Aspekte von CORONASTEP+ der Untersuchung dieser Forschungslücken. Aus experimenteller Sicht untersuchen wir derzeit, wie viele Viren pro Person aus menschlichen Exkrementen in das Abwasser gelangen.

Was verraten die Daten bereits jetzt?

Die Daten ermöglichen es uns, Trends zu erkennen – und das sehr frühzeitig. Tatsächlich spiegeln die dynamischen Muster der Viruskonzentration im Abwasser im Verlauf der Zeit die Veränderungen in der Zahl der Infizierten deutlich wider. Derzeit besteht eine sehr gute Korrelation zwischen diesen beiden Dynamiken. Beispielsweise ist seit etwa Mitte Oktober ein signifikanter und steiler Anstieg der SARS-CoV-2-Konzentration im Abwasser zu verzeichnen. Wir vergleichen die Ergebnisse unserer Analysen auch regelmäßig mit den neuesten Ergebnissen der Neuinfektionen, die wir durch großangelegte Tests an der Bevölkerung erhalten haben. Wir sehen dabei deutlich, dass sich beide Testarten sehr gut ergänzen und die gleichen Trends offenbaren.

Welche Kläranlagen werden ausgewertet?

Für unsere Studie, die wir im März 2020 begonnen haben, werten wir derzeit Daten von 13 Kläranlagen in verschiedenen Teilen Luxemburgs aus. Konkret handelt es sich dabei um die Kläranlagen in Beggen, Schifflange, Pétange, Bettembourg, Hespérange, Mersch, Boevange.sur-Attert, Uebersyren, Echternach, Grevenmacher, Bleesbruck, Troisvierges und Wiltz. Das sind bei Weitem nicht alle Kläranlagen des Landes, aber es sind die wichtigsten und größten. Und sie sind über alle Regionen Luxemburgs verteilt, sodass sie ein gutes Bild von der Situation und Entwicklung auf nationaler Ebene vermitteln. Insgesamt decken diese 13 Kläranlagen etwa 75 bis 80 Prozent der Bevölkerung Luxemburgs ab.

Wie schnell erhalten Sie ihre Ergebnisse? Bilden die Daten stets die aktuelle Situation ab oder führt die Prozedur der Auswertung zu einem Zeitverzug?

Um repräsentativ zu sein, ist es notwendig, Abwasserproben aus dem Einlauf der untersuchten Kläranlagen über 24 Stunden hinweg zu sammeln. In der Regel sammeln wir die integrierten 24-Stunden-Proben morgens ein und bringen sie zur Analyse ins Labor. Die Ergebnisse der Analyse im Labor liegen dann am Abend vor. Zwischen dem Eingang der Proben und dem Zeitpunkt, an dem die Ergebnisse bekannt sind, vergehen meist zwischen sechs und acht Stunden. Das Analyseverfahren verursacht also, wenn überhaupt, nur eine sehr geringe Verzögerung bei der Beurteilung der Situation. Wir nehmen jedoch nicht an jeder Messstation täglich Proben. Ursprünglich war geplant, den Virusgehalt des Abwassers jeder der untersuchten Kläranlagen einmal pro Woche zu überprüfen. In den letzten Jahren haben wir jedoch auf Ersuchen der Regierung die Häufigkeit der Probenahmen erhöht. Nun ist es das Ziel, in jeder Anlage mindestens zwei- bis dreimal pro Woche eine Abwasseranalyse durchzuführen.

Wie verlässlich sind die Ergebnisse? Wie hoch ist das Risiko von Fehlmessungen?

Die Bestimmung der Viruslast im Abwasser ist nicht nur sehr empfindlich, sondern auch sehr zuverlässig. Auch wenn es noch nicht möglich ist, die genaue Zahl der infizierten Personen im Einzugsgebiet einer Kläranlage zu bestimmen, lassen sich Trends in der Entwicklung der Pandemie klar und eindeutig erkennen. Dennoch ist es möglich, dass äußere Einflüsse die Messungen beeinträchtigen – zum Beispiel extreme Wetterereignisse wie starke Regenfälle. Diese führen zu einer Zunahme der Abwassermenge in der Kanalisation und am Eingang von Kläranlagen, was zu einer Verdünnung der Viruslast führen könnte. Solche Phänomene werden in unserer Methode der Datenverarbeitung berücksichtigt.

Wie lassen sich falsche Ergebnisse durch solche Störfaktoren vermeiden?

Um eine Verfälschung der Angaben zur Viruskonzentration, zum Beispiel durch einen stark erhöhten Regenzufluss im Abwasser, auszuschließen, berücksichtigen wir in unseren Modellrechnungen zur geschätzten Viruslast zusätzlich zu den Messungen die Abwasser-Durchflussmenge.

Wäre es möglich, ein automatisiertes System für eine ständige Überwachung der Abwässer aufzubauen?

Für die Entnahme von Abwasserproben werden bereits automatische Sammelvorrichtungen eingesetzt. Diese Geräte sammeln den ganzen Tag über alle fünf Minuten jeweils einige Milliliter Wasser, das in einem Behälter aufgefangen wird. Auf diese Weise erhalten wir schließlich an allen Messpunkten eine über den Tag integrierte Probe, die die Bedingungen im zugeführten Abwasser der letzten 24 Stunden widerspiegelt. Allerdings: Um die gesammelten Proben zu konzentrieren und mikrobiologisch zu analysieren, müssen sie ins Labor gebracht werden. Daran führt bislang kein Weg vorbei. Das macht es derzeit unmöglich, ein vollautomatisches Überwachungssystem zu installieren.

Können Abwasseranalysen, wie sie im Rahmen von CORONASTEP+ erstellt werden, die großangelegten Tests ersetzen?

Nicht wirklich. Tatsächlich wären solche Analysen eine gute Alternative zu den großangelegten Tests in der Bevölkerung – wenn es darum geht, landesweite Entwicklungen der Pandemie so früh wie möglich zu erkennen. Wir haben festgestellt, dass sich zum Beispiel eine Zunahme der Zahl der mit SARS-CoV 2 infizierten Menschen ein oder zwei Tage früher in den Abwasserdaten manifestiert als in den Befunden der großangelegten  Tests. Die Abwasseranalyse ermöglicht es auch, gefährdete Gebiete zu identifizieren, weil wir wissen, dass es geografische Unterschiede gibt. Ein weiterer Vorteil unserer Methode besteht darin, dass nur eine Probe pro Kläranlage benötigt wird, um einen Überblick über die Infektionshäufigkeit bei einer großen Zahl von Menschen zu erhalten. Alle Haushalte und Personen, die über das Kanalisationssystem an die Kläranlage angeschlossen sind, werden auf einmal erfasst. Übrigens bedeutet das auch, dass die Kosten für Abwasseranalysen deutlich niedriger sind als die Kosten für breit angelegte klinische Tests. Allerdings kann die Abwasseranalyse die großangelegten Tests nicht vollständig ersetzen, da damit keine Identifizierung von infizierten Personen möglich ist. Und dies ist ja wichtig in der Pandemie, um durch anschließende Isolations- und Quarantänemaßnahmen, Infektionsketten zu durchbrechen – und also die Verbreitung des Virus einzudämmen.

Wie sehen die bisherigen Resultate aus? Was lässt sich daran erkennen?

Die Daten zeigen, dass die Konzentration des genetischen Materials von SARS-CoV 2 im Abwasser aller betrachteten Kläranlagen seit etwa Mitte Oktober dramatisch angestiegen ist. Das ist ein klarer Hinweis auf den Trend in ganz Luxemburg. Darüber hinaus sind die nachgewiesenen Viruskonzentrationen viel höher als die, die wir im März und April – auf dem Höhepunkt der ersten Pandemiewelle – gemessen haben. Diese Daten spiegeln eindeutig eine entsprechend hohe Verbreitung des Virus in der Bevölkerung wider. Die zweite Welle der Pandemie rollt.

Gibt es regionale Unterschiede?

Nein, im Moment nicht. Das Gesamtbild ist im Wesentlichen an allen Messpunkten in Luxemburg gleich, auch wenn einige Kläranlagen eine höhere Viruskonzentration aufweisen als andere. In der Vergangenheit – zum Beispiel während des Sommers – waren jedoch deutliche regionale Unterschiede feststellbar, mit einer hohen Prävalenz des Virus im südlichen Teil des Landes.

Stellen die Viren im Abwasser eine Gefahr für Menschen dar?

Es scheint, dass die Viren im Abwasser nicht infektiös sind. Das ist auf die Struktur dieser Art von Viren zurückzuführen. Coronaviren sind umhüllte Viren, von denen bekannt ist, dass sie sehr empfindlich auf Umwelteinflüsse reagieren. Das führt unter anderem dazu, dass die Viren im Wasser schnell ihre Handlungsfähigkeit verlieren und schließlich deaktiviert werden. Danach sind sie nicht mehr in der Lage, Menschen, die mit Wasser in Kontakt kommen, zu infizieren. Diese Annahme, die auf einigen Messdaten und Literaturhinweisen beruht, muss jedoch noch wissenschaftlich verifiziert werden. Das ist ein weiteres Ziel des Projekts CORONASTEP+. Dazu sind wir auf die Unterstützung unserer Forschungskollegen vom Luxemburger Institute of Health (LIH) angewiesen, mit denen wir eng zusammenarbeiten. Denn um infektiöse Viren für Experimente zu kultivieren, ist ein biologisches Labor mit der höchsten Sicherheitsstufe 3 erforderlich. Ein solches Labor steht am LIH zur Verfügung. Dort werden demnächst die Versuche zu einer möglichen Gesundheitsgefährdung durch Viren im Abwasser beginnen.

Lassen sich die Viren im Klärwerk beseitigen?

Ja, es scheint so. Auch das ist hauptsächlich auf die Struktur der SARS-CoV-2 zurückzuführen, die dafür sorgt, dass sie während der Abwasserbehandlung inaktiviert und entfernt werden. Darüber hinaus haben wir in der ersten Phase dieses Projekts auch den Auslass von Kläranlagen untersucht, wo das gereinigte Wasser in einen Fluss geleitet wird. Dort haben wir in dem behandelten Wasser nie Viren nachgewiesen.

Mehr Infos zum Projekt: https://www.list.lu/fr/covid-19/

Autor:  Ralf Butcher (Science Relations), Jean-Paul Bertemes (FNR)
Editorin: Michèle Weber (FNR)