Dem Abwasser seine Geheimnisse entlocken

zusammengefasst von Dr. Gudrun Westermann

Waste-water-based epidemiology, Online-Konferenz, 15. Juli 2021, organisiert von Hessen Trade & Invest GmbH, Technologieland Hessen

Unter dem Titel „Polio, Pest und Pandemie“ fand am 15. Juli 2021 die internationale Online-Konferenz zu Abwasser-basierter Epidemiologie statt, veranstaltet von der Hessen Trade & Invest GmbH.

Prof. Karl-Heinz Leven, Medizinhistoriker von der Universität Erlangen-Nürnberg, sprach über Pandemien in historischer Perspektive. Epidemien sind seit der Bronzezeit überliefert, und die Aufgabe der Medizingeschichte ist es, Muster zu erkennen und daraus Schlüsse für aktuelle Epidemien und Pandemien zu ziehen. Wenn man die Epidemien der Vergangenheit betrachtet, ist eines klar: die nächste Pandemie kommt bestimmt. Bevor das Erregerkonzept erkannt wurde, wurden Seuchen eher als Massenvergiftung durch Miasmata verstanden. Der Begriff der Ansteckung spielte bei diesem Konzept keine große Rolle. Andererseits wurde die Ansteckungsgefahr auch schon früh erkannt. Dieser sogenannte Kontagionismus ging davon aus, dass das Gift, das die Krankheit auslöst, auch übertragen werden konnte.
In der Vormoderne spielte außerdem bei Seuchen der Gedanke der Sündenstrafe eine große Rolle. Leven wies darauf hin, dass dieser auch heute wieder auftaucht: „die Natur schlägt mit der Pandemie zurück“. Die Vorstellung der sogenannten „Brunnenvergiftung“ findet sich ebenfalls heute in der Vorstellung wieder, Corona werde absichtlich verbreitet, damit Firmen an Impfstoffen verdienen.
Epidemien führen immer zu einem Kontrollverlust. Kontrollversuche sind entsprechend Quarantäne und Isolierung, eine Einbeziehung der Wasserversorgung sowie die Therapie, die aber zunächst meist nicht verfügbar ist. Unser heutige Infektionsschutzgesetz ist im Grunde auch eine Pestordnung bzw. stammt von dieser ab und enthält die Elemente Disziplinierung, Kontrolle und Sanktionen, erklärte Leven. Bei der Eindämmung von Epidemien ist dieses Konzept durchaus erfolgreich.
Immer verbunden mit epidemischen Lagen ist die Angst, die sich leider auch durch mehr Aufklärung nicht unbedingt verringern lässt, sagte Leven. Es finden sich auch Merkmale der „emotionalen Epidemiologie“, daran zu erkennen, dass das Vokabular der Regierenden oft aus der Religion entlehnt („Unheil“) oder mit „Moral“ in Verbindung gebracht wird. Auch aktuell werde bestimmten Gruppen die Schuld, beispielsweise für die Zunahme der Infektionszahlen, zugeschoben. Wichtig sei, die Fakten zu sehen und die Muster zu erkennen, aber die Moral aus dem Spiel zu lassen.

Polio: Diagnostik mithilfe von Stuhlproben

Dr. Ousmane Diop, Koordinator des Global Polio Laboratory Network, sprach über Polioeradikation und Surveillance mit Hilfe von Abwassermonitoring. Polio existiert schon seit langem, führte Diop aus. Er stellte die Surveillance-Maßnahmen auf verschiedenen Ebenen vor und ging auf die Diagnostik aus Stuhlproben ein. Zwischen 2020 und 2021 ist die Anzahl der Ausbrüche in Afrika deutlich zurückgegangen, aber das Virus zirkuliert noch weiter und wird bisweilen auch exportiert, wie Sequenzierungsuntersuchungen zeigen.
Diop wies darauf hin, dass nur 1% der Patienten paralytische Symptome zeigen, viele Fälle dagegen mit geringen Symptomen verlaufen. Alle Patienten scheiden aber das Virus mit dem Stuhl aus und können es so weiterverbreiten. Für die Surveillance stehen daher Umweltuntersuchungen im Fokus. Anhand von Ergebnissen solcher Untersuchungen aus Ägypten zeigte Diop die Bedeutung für Erkenntnisse zur Verbreitung und Übertragung bzw. den Export in andere Länder und Regionen. Diese Umweltsurveillance gab es 2013 nur in einigen Ländern, aber mittlerweile sind 34 Länder beteiligt und auch die entsprechende Laborkapazität ist in Form von 22 speziellen Laboratorien aufgebaut, was zur Standardisierung der Methoden beiträgt. Entsprechende Leitlinien sind veröffentlicht und Qualitätssicherungsmaßnahmen implementiert.In Ländern mit niedrigem Einkommen ist die Überwachung schwieriger, da dort das Abwassersystem nicht entsprechend organisiert und standardisiert ist. Das Ziel des Programms ist es, Polio bis 2026 vollständig zu eradizieren.

SARS-CoV-2-Detektion im Abwasser

Dr. Bernd Manfred Gawlik, Portfolio Leader Water Quality, Europäische Kommission, berichtete über das Abwasser-Sentinel-System für SARS-CoV-2, das die EU seit März dieses Jahres auf den Weg gebracht hat.
Laut Empfehlung der Kommission sollen die Länder ein Wasserüberwachungssystem für SARS-CoV-2 aufbauen. Dieses sollte mit zweimal wöchentlicher Probennahme einen relevanten Teil der Bevölkerung erfassen. Wichtig ist auch die schnelle Übermittlung der Daten und Nutzung durch die Gesundheitsbehörden. Zum Datenaustausch gibt es eine eigene Plattform, das EU Sewage Sentinel System for SARS-CoV-2. Eine Anschubfinanzierung kam von der EU. Einige Länder haben das Überwachungssystem sehr schnell etabliert, z.B. die Niederlande und Finnland.
Gawlik beschrieb kurz die Abfolge der Probennahme am Zufluss einer Kläranlage und die Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, z.B. Wettereinflüsse. Die weitere Entwicklung muss dann u.a. eine Operationalisierung des Systems und auch Lernen mit Hilfe künstlicher Intelligenz beinhalten. Aus Australien gibt es bereits entsprechende Erfahrungen, wo das Wiederaufflammen des Virus im Abwasser frühzeitig erkannt werden konnte. Auch die jetzt besonders dominante Deltavariante war schon frühzeitig in Abwasserproben zu finden.

Prof. Susanne Lackner, Fachgebietsleiterin Abwasserwirtschaft an der Technischen Universität Darmstadt begab sich auf die „Spuren von SARS-CoV-2 im Abwasser“ und zeigte, was wir aus dieser Pandemie lernen können.
In Industrieländern ermöglicht die sehr zentralisierte Abwasserabführung und -verarbeitung eine sinnvolle Probennahme und auch die Rückverfolgung und Klärung, wo die Proben herkommen. Aus dem Abwasser können im Wesentlichen zwei Informationen abgeleitet werden: zum einen Trends, also ob die Virenlast ansteigt oder abfällt. Zum anderen lassen sich Virusvarianten nachweisen, früh erkennen und verfolgen.
Erste Untersuchungen konzentrierten sich darauf, die Eignung des Untersuchungsprinzips zu belegen (Proof of principle). Trends lassen sich im Abwasser ca. eine Woche im Voraus vorhersagen, erklärte Lackner anhand von Daten aus Frankfurt. Das Rückrechnen auf Inzidenzen sei jedoch mit Vorsicht zu genießen. Der R-Wert lässt sich allerdings recht gut bestimmen.
Die Verteilung der „Variants of Concern“ lässt sich im Abwasser ebenfalls mit einer gewissen Sicherheit differenzieren. In der EU-Messkampagne wurden 54 Kläranlagen in 20 Ländern beprobt. Dabei zeigte sich z.B. schon im März ein gewisser Anteil der Delta-Variante.
Abwassermonitoring zum Zweck der SARS-CoV-2-Surveillance ist also möglich, erklärte Lackner in ihrem Fazit. Mittels Genomsequenzierung können dann auch Mutationen, und damit auch Varianten im Abwasser nachgewiesen werden. Ein Infektionsrisiko geht davon nach momentanem Kenntnisstand nicht aus, da dort nur Virenfragmente nachgewiesen werden.

Dänemark: bis zu 100.000 PCR-Tests täglich

Sofie Midgley, Leiterin des dänischen WHO-Poliovirus-Programms, beschrieb den COVID-19-Pandemie-Verlauf in Dänemark. Man setzt dort auf eine ausführliche Teststrategie. Teilweise werden pro Tag bis zu 100.000 PCR-Tests durchgeführt, und die Mehrheit der Infektionsfälle wird auch über die Testzenten identifiziert.
Midgley berichtete detaillierter über ein Projekt auf der Insel Bornholm. Dort wurden täglich Abwasserproben genommen. Diese wurden dann auch sequenziert im Hinblick auf Varianten des Virus. Obwohl die Zahlen auf Bornholm eher niedrig waren, ließ sich das Virus in den Proben nachweisen, allerdings nicht an allen Entnahmestellen. Die Ergebnisse variierten über den Zeitraum. Weiter zeigte Midgley Daten für ganz Dänemark, mit deutlichen Variationen für die verschiedenen Regionen.

Abwasser-Monitoring am Michigan-See (Milwaukee, USA)

Kevin Shafer, Direktor der Abwasserbehörde Milwaukee Metropolitan Sewerage District (MMSD), USA, berichtete über den Umgang mit der Pandemie im Abwasserwesen von Milwaukee am Michigan-See. Er zeigte für verschiedene Distrikte, wie Daten aus den Abwasseruntersuchungen mit den Infektionszahlen korrelieren.
Lange vor der Pandemie wurde für die Behörde schon 2016 ein Notfallplan (Business Continuity Plan) entwickelt. Dieser hat sich nun bewährt. Shafer beschrieb, wie Mitte Mai die Belegschaft ins Home Office geschickt wurde. Das Labor- und Überwachungspersonal kam im April zurück, und die Abwasser-Überwachung auf SARS-CoV-2 wurde initiiert. Es zeigte sich eine enge Korrelation zwischen den Ergebnissen im Abwasser und dem Verlauf der Ausbrüche.
Es wird aber nicht nur nach SARS-CoV-2 im Abwasser gesucht, sondern ein Screening auf unterschiedliche Pathogene durchgeführt. Die Abwasserbehörde deckt 28 Städte ab, mit einem Großteil der Bevölkerung von Wisconsin.

Dr. Joan Rose, Michigan State University, sprach über Daten und Tools die zum Verständnis der weltweiten Verbreitung von Pathogenen im Wasser beitragen. Sie zeigte beispielsweise, wie sich Viren weltweit im Abwasser nachweisen lassen. Durchfallerkrankungen, die u.a. so übertragen werden, sind besonders für Kinder ein gravierendes Problem in vielen Ländern.
Rose stellte das Sketcher Tool vor, mit dessen Hilfe prädiktive Aussagen bezüglich Maßnahmen gemacht werden können. Damit ist es möglich, spezifische User-Informationen und die resultierenden Karten zu vergleichen. Dies kann helfen, Entscheidungen zu treffen, z.B. bezüglich der Verwendung von Abwasser in der Landwirtschaft. Weitere Datenbanken und Tools finden sich in der W-Sphere Map.

Ein Biobot detektiert Ausbrüche mittels Abwasser-Untersuchungen

Dr. Mariana Matus, CEO von Biobot Analytics, USA, stellte Biobot vor, ein Tool, mit dem auf der Basis von Abwasser-Untersuchungen Ausbrüche detektiert und Maßnahmen zur Eindämmung abgestimmt werden können. Auf COVID-19 reagierte man schnell. Weitere Fragen sind, in welchen Arten von Abwasser das System eingesetzt werden kann, und wie nützlich die erhobenen Daten sind.
Ziel ist es, mit Hilfe von Daten aus dem Abwasser Frühwarnsysteme für Gesundheitsbedrohungen aufzubauen. Fallzahlen, Test-Positivitätsraten und Abwasser-Monitoring-Daten werden verbunden und sind auf der Website einsehbar. Dadurch kann dann ein Schwellenwert für notwendige Aktionen festgelegt werden.
Matus zeigte, wie dabei mit den Gesundheitsbehörden zusammengearbeitet wird. Andere Anwendungen sind in Vorbereitung, z.B. Monitoring auf bestimmte Drogen oder Influenza.

Die stille Pandemie der MRE

Gudrun Bettge-Weller vom Hessischen Landesprüfungs- und Untersuchungsamt im Gesundheitswesen (HLPUG), Dillenburg, sprach über den Nachweis multiresistenter Erreger im Wasserkreislauf. Die COVID-19-Pandemie hat gezeigt, was passiert, wenn ein neuer Erreger auftaucht, gegen den die Menschen nicht resistent sind und gegen den es keine Therapie gibt.
Es gibt aber auch eine „stille Pandemie“, die der MRE, an denen jährlich ca. 35.000 Menschen sterben. Auch hier gibt es relevante Befunde im Abwasser. Bettge-Weller erklärte, dass möglicherweise Resistenzen in den Abwasser-Reservoirs entstehen und weitergegeben werden können – was und in welchem Umfang dort geschieht, sei bisher nicht ausreichend bekannt. Sie zeigte, dass der Antibiotikaeintrag in den vergangenen Jahren zwar abgenommen hat, gelöst ist das Resistenzproblem dadurch aber nicht, denn Reserveantibiotika aus der Humanmedizin werden auch gern in der Tiermedizin eingesetzt und können so Resistenzen fördern.

Susanne Harpel, ebenfalls vom HLPUG, stellte einen Fallbericht eines 4fach- plus Carbapenemase-resistenten K. pneumoniae im Raum Frankfurt vor. Im Rahmen eines Ertrinkungsunfalls war ein Patient damit infiziert worden.
Außerdem präsentierte sie ein Pilotprojekt, in dem Badeseen untersucht und im Verlauf eines Flusses Proben entnommen wurden. Im Einzugsbereich fanden sich auch Krankenhäuser und Kläranlagen. Momentan existiert kein standardisiertes Testprozedere zum Nachweis antibiotikaresistenter Erreger in Gewässern. Badegewässer werden auf Coliforme und intestinale Enterokokken untersucht. Harpel wies darauf hin, dass eine höhere Belastung mit Coliformen nicht unbedingt mit einer höheren Zahl an ESBL oder MRGN korreliert. Auch müsse die Methodik noch optimiert werden.

Hier finden Sie nähere Informationen zum Programm. Die Video-Aufzeichnungen der Vorträge sind auf der Website Technologieland Hessen abrufbar.

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