Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung Leipzig
SARS-CoV-2-Abwassermonitoring – Früherkennung von Infektionsherden
Mitte Mai startet Testphase
"Wir werden in der zweiten Maihälfte zusammen mit zirka 20 Kläranlagen eine Testphase durchführen, die die gesamte Analysekette von der Entnahme und Aufbereitung der Proben über die PCR-Analyse bis zur Modellhochrechnung umfasst. Letztere muss mit kleinen Fallzahlen und einer großen Dynamik des Gesamtsystems zurechtkommen und auch Aussagen zur Unsicherheit der Prognosen erlauben", sagt Prof. Dr. Georg Teutsch, der Wissenschaftliche Geschäftsführer des UFZ und Initiator des Projektes."Die aktuelle Verunsicherung über die Möglichkeiten von Lockerungsmaßnahmen liegt auch in der weiterhin unklaren Datenlage über die Dunkelziffer an Infizierten. Wir freuen uns daher, das DWA-Netzwerk in dieses sehr erfolgversprechende Projekt einbringen zu können. Unsere engen Verbindungen zu den Betreibern der Kläranlagen sowie insbesondere unser Wissen und unsere Erfahrungen mit den Besonderheiten der Probenahme für Abwasseranalysen stellen wir den Projektpartnern gerne schnell und umfassend zur Verfügung", betont DWA-Präsident Prof. Uli Paetzel.
Niederlande untersucht seit Anfang April 300 Kläranlagen auf Corona
Die Idee des Abwassermonitorings ist nicht neu, ähnliche Untersuchungen wurden bereits im Rahmen des Drogenscreenings und im Zusammenhang mit Polio-Impfmaßnahmen erfolgreich durchgeführt. In Bezug auf das SARS-Coronavirus-2 berichteten bereits im Februar dieses Jahres niederländische Kollegen, dass sie wenige Infizierte pro 100.000 Personen anhand des Erbguts von SARS-CoV-2 in Abwässern aus 6 Kläranlagen - darunter die des Flughafens Schiphol - mit hoher Empfindlichkeit detektiert haben.Viele Herausforderungen sind noch zu bewältigen
In solchen Messungen steckt großes Potenzial für die Etablierung eines räumlich differenzierten, kontinuierlichen Frühwarnsystems, etwa um die Folgen von Lockerungsmaßnahmen zu beobachten und wenn nötig nachzusteuern. Mit Probenahmen an bundesweit ca. 900 Kläranlagen könnten etwa 80 Prozent des gesamten Abwasserstroms und damit ein Großteil der Bevölkerung in Deutschland täglich erfasst werden (Bild 1). Das wäre zwar eine aufwendige, jedoch keinesfalls unmögliche Aufgabe, die - gemessen an der Aussicht, Infektionsherde bundesweit früh quantitativ, örtlich differenziert und in ihrem zeitlichen Verlauf erfassen zu können - überschaubare Kosten erzeugen würde. Doch bis zu einem schnellen, kontinuierlichen, robusten und flächendeckenden Monitoring- und Frühwarnsystem sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Das UFZ und die TU Dresden prüfen deshalb in Zusammenarbeit mit weiteren Forschungseinrichtungen und Betreibern von Kläranlagen seit einigen Wochen in einer breit angelegten Voruntersuchung die Umsetzungschancen dieses Gesamtansatzes unter Realbedingungen.Die erste Herausforderung besteht darin, geringste Konzentrationen an Viren und RNA, die zudem starken Schwankungen unterworfen sind, zuverlässig in den Abwasserproben zu erfassen. Zweitens kommt hinzu, dass die Empfindlichkeit herkömmlicher Nachweisverfahren für die im Abwasser stark verdünnten und nicht mehr infektiösen SARS-CoV-2-Viren nicht ausreicht. Deshalb arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zurzeit am "Bottleneck" des Monitorings und an der Optimierung der Probenaufbereitung. Drei Aufbereitungsmethoden werden dabei parallel auf ihre Leistungsfähigkeit getestet: die Gefriertrocknung, die Säulenfiltration und die Polyethylenglycolfällung. Jede der Methoden hat ihre Vor- und Nachteile. Drittens wird zur Verfeinerung der PCR-Analysenmethode noch nach dem RNA-Signal eines immer in Abwasser vorhandenen harmlosen Virus gesucht, das als Referenz für die Verlässlichkeit der Methode dient. Viertens führen die kleinen Fallzahlen und die Dynamik des Gesamtsystems zu starken Schwankungen der "Virenlast" im Tagesgang, was im Probenahmekonzept, im eingesetzten epidemiologischen Modellinstrumentarium und bei Aussagen zur Unsicherheit der Modellergebnisse berücksichtigt werden muss. Ferner stellt ein bundesweites Anwenden dieses Monitoringansatzes eine erhebliche logistische Herausforderung dar - einschließlich einer notwendigen Automatisierung der Abläufe und kontinuierlichen Ergebnisauswertung.
Hohe Detektionsempfindlichkeit entscheidend
"Entscheidend wird die Fähigkeit sein, eine Detektionsempfindlichkeit für SARS-CoV-2 zu erreichen, die nicht erst bei hohen Zahlen von Infizierten verwertbare Ergebnisse liefert. Erste Ergebnisse stimmen uns vorsichtig optimistisch, unter den Grenzwert von 50 Infizierten je 100.000 Einwohner für das Interventionsmanagement zu kommen", sagt UFZ-Virologe Dr. René Kallies, der einige Jahre am Robert-Koch-Institut und im Institut für Virologie der Universität Bonn geforscht hat und im Projekt für die Probenaufbereitung und PCR-Analytik verantwortlich ist.www.ufz.de
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