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SARS-CoV-2 Viren im Abwasser

COVID-19 Überwachung und Abschätzung potenzieller Infektionsrisiken

Einem Konsortium unter Leitung von FiW und ISA ist es zusammen mit der Goethe-Universität Frankfurt gelungen, die erste Studie in Deutschland zum Nachweis von SARS-CoV-2 Viren im Abwasser für die Überwachung des COVID-19 Infektionsgrads der Bevölkerung und Bewertung potenzieller Infektions­risiken zu publizieren. In Zusammenarbeit mit sechs Wasserverbänden in NRW wurde während der ersten Pandemiewelle ein Screening von Zulauf- und ausgewählten Ablaufproben von neun Kläranlagen durchgeführt. Die im Abwasser nachgewiesenen SARS-CoV-2 Gene haben sich in den durchgeführten Zelltests in vitro als nicht-infektiös dargestellt. Die Ergebnisse der Studie wurden von zahlreichen Presse­artikeln (SPIEGEL, BILD, WELT, Rheinischer Post u. a.) aufgegriffen.

SARS-CoV-2 ist ein umhüllter RNA-Virus von ca. 100 nm Durchmesser. Neben labordiagnostischem Nachweis des Virus im Sputum lässt sich bei bis zu 67 % der Patienten SARS-CoV-2 RNA auch im Stuhl mit bis zu 108 Genkopien/ml nachweisen, z. T. auch bei asymptomatischen Fällen. Seit Beginn der Pandemie arbeiten Forschergruppen deswegen an Methoden, Abwasserproben für die Bestimmung der Infektionszahlen aller an eine Kläranlage angeschlossenen Einwohner zu nutzen. Bei ausreichender Sensitivität und Selektivität der Methode könnten solche Analysen Behörden z. B. als integrales „Entwarnsystem“ dienen, ob angeordnete Maßnahmen zu sinkenden Fallzahlen in der Gesamtbevölkerung in Kläranlageneinzugsgebieten führen. In den Niederlanden ist ein derartiges Informationssystem bereits etabliert.

Methodenentwicklung und -validierung

Der Virus-Nachweis erfolgt mittels quantitativer RT-qPCR für mehrere CoV-2 Gene. Mit Hilfe von älteren Rückstellproben aus den Jahren 2017 und 2018, also vor dem Ausbruch der Pandemie, wurde eine Methodik entwickelt und validiert, in dem zwei Genprimer (M-Gen und RdRP-Gen) in Kombination verwendet werden, um zum einen eine ausreichende Sensitivität der Analytik zu erreichen, zum anderen selektiv nur SARS-CoV-2, nicht aber andere nicht-krankheitsauslösende in der Bevölkerung zirkulierende Coronaviren im Abwasser zu quantifizieren. Die Plausibilität der Ergebnisse wurde anschließend über Sanger Sequenzierung kritisch überprüft und bestätigt.

Screening in Nordrhein-Westfalen

Unsere Analysen ergaben in allen neun während der ersten Pandemiewelle im April 2020 beprobten Kläranlagen 3 bis 20 Genkopien pro Milliliter Rohabwasser. Dies ist ein Konzentrationsniveau, wie es auch in Studien in den Niederlanden und den USA gemessen wurde. Neben der wässrigen Phase ist SARS-CoV-2 mit z. T. höheren Konzentrationen auch in der Festphase nachweisbar. Der Rückhalt von Genmaterial ist in konventionellen Kläranlagen erwartungsgemäß unvollständig. Nach der Ozonung der Kläranlage Aachen-Soers wurden allerdings die niedrigsten Gen-Konzentrationen aller untersuchten Proben gemessen.

Abwasser-basierte Epidemiologie

Die gemessene Virenfracht einer Kläranlage wurde mit der Anzahl der an die Gesundheitsämter gemeldeten COVID-19 infizierten Personen im Einzugsgebiet der Kläranlage korreliert. In der größten Kläranlage waren bei einer abgeschätzten Virenfracht von 6 Billionen (6 x 1012) Genäquivalenten pro Tag 1037 akute Fälle in Einzugsgebiet gemeldet, in kleineren Kläranlagen bei zwei Größenordnungen geringerer Virenfracht dagegen 36 Fälle.

Die Sensitivität ist ausreichend, um als Frühwarnsystem anzuzeigen, wann die 7-Tages-Inzidenz von 50 Inzidenzen pro 100.000 Einwohnern unterschritten wird. Für einen verlässlichen Einsatz in der Abwasser-basierten Epidemiologie sind weitere Methodenverbesserungen u. a. bei der Erfassung von dem an Festphasen gebundenen Genmaterial und dem Einsatz von Bioindikatoren möglich. In der zweiten Pandemiewelle soll die Datendichte durch Messung von Langzeitganglinien einzelner Kläranlagen erhöht werden.

Replikationstests und Infektiosität

Während unsere Arbeiten auf Basis von kleinvolumigen Laborstudien mit ca. 1 bis 10 Genkopien anzeigen, dass die nachgewiesenen RNA Fragmente nicht infektiös sind, lassen Frachtberechnungen vermuten, dass in einzelnen Kläranlagen in NRW ca. 6*1010 bis 6*1012 SARS-CoV-2 Genäquivalente pro Tag in die Vorfluter emittiert werden. Wegen der hohen Frachten und des geringen Rückhaltevermögens konventioneller Kläranlagen ist das Verhalten von SARS-CoV-2 im Wasserkreislauf weiter vertieft zu untersuchen. Dazu wurde ein Antrag beim MULNV NRW eingereicht.

Ansprechpartner

Gesamtkoordination
Forschungsinstitut für Wasser- und
Abfallwirtschaft an der RWTH Aachen e. V.

Dr. sc. Dipl.-Ing. Frank-Andreas Weber
+49 (0) 241 80 2 68 25 / E-Mail

Wissenschaftliche Leitung
Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Wintgens
+49 (0) 241 80 2 52 07 / E-Mail

apl. Prof. Dr. Volker Linnemann
+49 (0) 241 80 9 15 23 / E-Mail

 

Auftraggeber

Die Studie wurde auf Initiative von FiW und ISA ohne Drittmittel durchgeführt. FiW e. V. bedankt sich für eine Unterstützung der Wilo-Foundation.

PARTNER

Institut für Medizinische Virologie des Universitätsklinikums Frankfurt (KGU); Goethe-Universität Frankfurt (GUF)

PUBLIKATION

Sandra Westhaus, Frank-Andreas Weber, Sabrina Schiwy, Volker Linnemann, Markus Brinkmann, Marek Widera, Carola Greve, Axel Janke, Henner Hollert, Thomas Wintgens, Sandra Ciesek.

Detection of SARS-CoV-2 in raw and treated wastewater in Germany – Suitability for COVID-19 surveillance and potential transmission risks. Science of The Total Environment.