Wie hoch die Dunkelziffer und damit der tatsächlich infizierte Anteil der Bevölkerung ist, ist ein wichtiger Schlüsselparameter für die epidemiologische Bewertung einer Pandemie sowie die Prognose dafür, wie sie sich weiterentwickeln wird. Viele Infektionen werden nicht gemeldet, da die Betroffenen keine entsprechenden Symptome zeigen.
Ein Team aus mehr als 20 Abwasserfachleuten, Mikrobiologen, Virologen und Modellierern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA) und der TU Dresden arbeiten deshalb seit mehreren Wochen gemeinsam mit den Kläranlagenbetreibern der Städte Köln, Leipzig, Dresden, dem Wasserverband Eifel-Rur und weiteren 20 Städten daran, aus repräsentativen Abwasserproben den Gesamtinfektionsgrad im Einzugsgebiet von Kläranlagen direkt zu erfassen.
„Wir werden in der zweiten Maihälfte zusammen mit circa 20 Kläranlagen eine Testphase durchführen, die die gesamte Analysekette von der Entnahme und Aufbereitung der Proben über die PCR-Analyse bis zur Modellhochrechnung umfasst“, sagt Prof. Dr. Georg Teutsch, wissenschaftlicher Geschäftsführer des UFZ und Initiator des Projektes. Letztere müsse mit kleinen Fallzahlen und einer großen Dynamik des Gesamtsystems zurechtkommen und auch Aussagen zur Unsicherheit der Prognosen erlauben.
Verunsicherung durch unbekannte Dunkelziffer
„Die aktuelle Verunsicherung über die Möglichkeiten von Lockerungsmaßnahmen liegt auch in der weiterhin unklaren Datenlage über die Dunkelziffer an Infizierten“, erklärt DWA-Präsident Prof. Uli Paetzel. „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.“
Messverfahren aus Drogen-Screening bekannt
Die Idee des Abwasser-Monitorings ist dabei nicht neu: Ähnliche Untersuchungen wurden bereits im Rahmen des Drogen-Screenings und im Zusammenhang mit Polio-Impfmaßnahmen erfolgreich durchgeführt. In Bezug auf das Coronavirus berichteten bereits im Februar 2020 niederländische Kollegen, dass sie wenige Infizierte pro 100.000 Personen anhand des Erbguts von Sars-CoV-2 in Abwässern aus sechs Kläranlagen mit hoher Empfindlichkeit detektiert haben.
Folgen von Lockerungsmaßnahmen beobachten
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 circa 900 Kläranlagen ließen sich etwa 80 Prozent des gesamten Abwasserstroms und damit ein Großteil der Bevölkerung in Deutschland täglich erfassen.
Das wäre zwar eine aufwendige, jedoch keinesfalls unmögliche Aufgabe. Gemessen an der Aussicht, Infektionsherde bundesweit früh quantitativ, örtlich differenziert und in ihrem zeitlichen Verlauf erfassen zu können, wären die Kosten überschaubar. 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.
Herausforderungen und Ablauf der Messungen
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 Wissenschaftler zurzeit am „Bottleneck“ des Monitorings und an der Optimierung der Probenaufbereitung. Drei Aufbereitungsmethoden testen sie dabei parallel auf ihre Leistungsfähigkeit: die Gefriertrocknung, die Säulenfiltration und die Polyethylenglycolfällung. Jede der Methoden hat ihre Vor- und Nachteile.
Der Vorteil der Gefriertrocknung beispielsweise ist, dass die aufbereitete Probe wasserfrei ist. Der Nachteil: Die Aufbereitung dauert lange. Bei den anderen Methoden sind der hohe Personal- und Materialaufwand von Nachteil.
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 Monitoring-Ansatzes eine erhebliche logistische Herausforderung dar. Das schleßt eine notwendige Automatisierung der Abläufe und kontinuierliche Ergebnisauswertung ein.
„Die Methode klingt sehr vielversprechend“
„Entscheidend wird die Fähigkeit sein, eine Detektionsempfindlichkeit für Sars-CoV-2 zu erreichen, die nicht erst bei hohen Zahlen von Infizierten verwertbare Ergebnisse liefert“, 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. „Erste Ergebnisse stimmen uns vorsichtig optimistisch, unter den Grenzwert von 50 Infizierten je 100.000 Einwohner für das Interventionsmanagement zu kommen.“
Eine Gruppe des UFZ und der TU Dresden arbeitet derzeit daran, ein empfindliches, auf Abwasserproben angepasstes und für eine Hochdurchsatzanalytik geeignetes Analyseprotokoll zu entwickeln. Parallel dazu werden auch die Modellsysteme für einen geplanten kontinuierlichen Datenfluss aufgebaut. „Bis zur Operationalisierung eines integralen Abwassermonitorings ist aber noch ein ganzes Stück Weg zu gehen, auf dem wir auch so schnell wie möglich die Ergebnisse der wissenschaftlichen Öffentlichkeit vorstellen und diskutieren wollen“, ergänzt Kallies.
Sachsens Wirtschaftsminister Sebastian Gemkow sieht die Methode der Forscher als „sehr vielversprechend“ an. Er sagt: „Wenn das Abwassermonitoring funktioniert und landesweit umsetzbar ist, steckt darin ein riesiges Potenzial für den Umgang mit der aktuellen Sars-CoV-2-Pandemie – und perspektivisch auch für vergleichbare zukünftige Pandemien.“
Partnerinstitutionen
Am Projekt beteiligt sind:
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Technische Universität Dresden
Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA)
Stadtentwässerungsbetriebe Köln
Kommunale Wasserwerke Leipzig
Stadtentwässerung Dresden
Wasserverband Eifel-Rur
