AMELAG Abwassermonitoring für die epidemiologische Lagebewertung Im Projekt „Abwassermonitoring für die epidemiologische Lagebewertung“ erheben Umweltbundesamt und Robert Koch-Institut die Viruslast von SARS-CoV-2 und anderen Erregern im Abwasser. Das interdisziplinäre Team setzt direkt den One-Health Gedanken um: Forschungsdaten aus dem Bereich Umwelt und öffentliche Gesundheit werden zeitnah aufgearbeitet, zusammengeführt und öffentlich bereitgestellt. Gemeinsam für die Gesundheit aller Das Umweltbundesamt ( UBA ) und das Robert Koch-Institut ( RKI ) erfassen im Kooperationsvorhaben „Abwassermonitoring für die epidemiologische Lagebewertung“ (AMELAG), ob und in welcher Häufigkeit SARS-CoV-2-Virusgenfragmente an knapp 170 Kläranlagen deutschlandweit im Abwasser vorkommen. So kann die lokale Verbreitung von Viren wie SARS-CoV-2 und möglichen Virusvarianten zeitnah erfasst und beurteilt werden. An diesem durch das Bundesministerium für Gesundheit ( BMG ) geförderten Kooperationsprojekt sind auch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz ( BMUV ), der Sanitätsdienst der Bundeswehr sowie für Gesundheit und Abwasser verantwortliche Behörden der 16 Bundesländer beteiligt, darüber hinaus Kläranlagenbetreibende, Labore, Logistikunternehmen sowie zahlreiche weitere Forschungseinrichtungen und Universitäten. Das AMELAG-Vorhaben setzt beispielhaft den im Koalitionsvertrag der Bundesregierung erwähnten One-Health Gedanken um: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unterschiedlichster Fachdisziplinen arbeiten hier täglich kollaborativ und intersektoral zusammen. Nur so können die Expertisen aus den Bereichen Umwelt- und Naturwissenschaften, Gesundheitswissenschaften und öffentlicher Gesundheit, Data Science und Statistik das Abwasser als eine verlässliche Datenquelle für die Information der Öffentlichkeit und eine evidenzbasierte Politikberatung erschließen. Ablauf der Abwassersurveillance in AMELAG Verschiedene Krankheitserreger und deren Abbauprodukte reichern sich in menschlichen Ausscheidungen (z.B. Stuhl und Speichel) an und gelangen in das Abwasser. Abwasserproben werden mehrmals pro Woche am Zulauf von Kläranlagen entnommen. In der Regel wird nach der ersten mechanischen Reinigung, dem Rechen und dem Sandfang, automatisiert eine 24h-Mischprobe gewonnen. Diese Proben werden gekühlt in ein Labor transportiert und mit geeigneten Anreicherungsmethoden aufbereitet. Die Erbinformation ( DNA / RNA ) wird anschließend extrahiert und die vorhandenen Virusgenfragmente mittels der Polymerase-Kettenreaktion (engl. polymerase chain reaction, PCR) quantitativ erfasst. Neben den Routinemessungen der SARS-CoV-2-Genfragmente werden am Umweltbundesamt auch verschiedene weitere Methoden zum Nachweis klinisch relevanter Infektionserreger (z. B. Influenzavirus A/B) entwickelt und etabliert. Nach einer Datenprüfung hinsichtlich Qualität und Plausibilität, werden die Monitoringdaten von den datenliefernden Stellen in die eigens dazu eingerichtete Datenbank „Pathogene im Abwasser“ ( PiA-Monitor ) am Umweltbundesamt eingepflegt und verwaltet. Dort werden sie weiterverarbeitet, um witterungsbedingte Schwankungen des Rohabwasserstroms auszugleichen („Normalisierung“). Die normalisierten Datenwerte werden anschließend vom RKI als Verlaufskurve dargestellt, einer Trendberechnung unterzogen und im AMELAG-Wochenbericht sowie im Infektionsradar durch RKI und BMG veröffentlicht. Zusammen mit anderen Surveillance-Systemen wird eine epidemiologische Bewertung vorgenommen, die wiederum das Ableiten von Maßnahmen für den Gesundheitsschutz der Menschen und eine evidenzbasierte Politikberatung unterstützt. Link zum AMELAG-Erklärvideo: Was ist Abwassersurveillance (Youtube-Link) Wissenschaftliche Fragestellungen und Forschung am UBA Erarbeitung von Verfahren für den Nachweis von Infektionserregern und antimikrobiellen Resistenzen (AMR) in Abwasserproben – Forschung am Umweltbundesamt im Fachgebiet Mikrobiologische Risiken Es werden Konzepte für Methoden zum belastbaren Nachweis von relevanten Infektionserregern (einschließlich deren Antibiotikaresistenzen) in Abwasserproben entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf Enterobakterien mit klinisch wichtigen Antibiotikaresistenzen. Um diese in den Abwasserproben zu identifizieren wird ein mehrstufiger Screening-Prozess entwickelt, der sowohl auf den direkten Nachweis der lebendigen Bakterien wie auch auf den Nachweis von Resistenzgenen und weiteren Sequenzinformationen abzielt. Hierbei kommen unter anderem massenspektrometrische Messmethoden, die Bestimmung der minimalen Hemmkonzentrationen gegenüber antibiotischen Wirkstoffen sowie molekularbiologische und sequenzbasierte Verfahren zum Einsatz. Methodenentwicklung und Etablierung von Nachweisverfahren von weiteren Public Health-relevanten viralen Erregern – Forschung am Umweltbundesamt im Fachgebiet Mikrobiologische Risiken Es werden Influenza A/B-Virusgenfragmente mittels molekularbiologischer Labormethoden nachgewiesen und die Ergebnisse evaluiert. Die Methoden werden für eine mögliche Implementierung in die Routine der Abwassersurveillance vorbereitet. Im Weiteren werden im Rahmen von AMELAG mittels verschiedener Aufbereitungs- und Extraktionsmethoden neue Verfahren zum Nachweis für weitere respiratorische und gastrointestinale Erreger, die sich im Abwasser befinden, entwickelt und erprobt. Je nach Beschaffenheit und Eigenschaften der Erreger sind verschiedene Aufbereitungsmethoden zur Anreicherung und Extraktion der Nukleinsäuren erforderlich. Dazu werden u. a. verschiedene Konzentrationsverfahren verglichen, Versuchsreihen mit Abwasserproben konzipiert, denen inaktivierte Viren oder virale Nukleinsäure zugesetzt wurden und es findet eine Validierung der Verfahren statt. Des Weiteren werden Versuche zur Ermittlung der Bestimmungsgrenzen durchgeführt. Ziel ist es, qualitätsgesicherte und valide Labormethoden zu entwickeln, die schrittweise durch fortlaufende Optimierung und Harmonisierung im Rahmen der Abwassersurveillance angewendet werden können. Laborharmonisierung / Standardisierung / Vergleichsuntersuchungen – Forschung am Umweltbundesamt im Fachgebiet Abwasseranalytik, Überwachungsverfahren Die derzeit gemessenen Konzentrationen von SARS-CoV-2 im Abwasser werden im Rahmen von AMELAG von über 20 unterschiedlichen Laboren ermittelt. Dabei kommen unterschiedliche Methoden u. a. hinsichtlich Aufkonzentrierung der Probe, Extraktion der Viren- RNA , in der PCR nachgewiesene Gensequenzen sowie der verwendeten PCR-Analytik zum Einsatz. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wird durch das UBA eine Identifizierung und Clusterung der Labormethoden durchgeführt und anschließend eine Harmonisierung angestrebt. Da davon auszugehen ist, dass verschiedene Methoden zu vergleichbaren Analytikergebnissen führen, soll eine Qualitätsbewertung der Daten mit Bezug zur jeweiligen Analytik durchgeführt werden. Das soll auch der Vorbereitung und Konzipierung eines Vergleichsversuches dienen, der ebenfalls im Rahmen des AMELAG Projekts durchgeführt werden wird. Dieser soll u.a. zur Ermittlung von Bestimmungsgrenzen dienen. In Erweiterung des Nachweisspektrums werden weitere, das öffentliche Gesundheitswesen betreffende Erreger wie Influenza und RSV, für die Laborroutine getestet und etabliert. Spurenstoffanalytik zur Untersuchung der Eignung weiterer Normalisierungsparameter – Forschung am Umweltbundesamt im Fachgebiet Abwasseranalytik, Überwachungsverfahren Bei der Ermittlung der Viruslast im Abwasser muss eine „Normalisierung“ der ermittelten Viruslast erfolgen. „Normalisierung“ bedeutet, dass versucht wird die Schwankungen der Abwassermenge und damit auch der Zusammensetzung der Abwasserbestandteile auszugleichen. Je besser man normalisieren kann, umso besser kann die Viruslast in Relation zum Bevölkerungsanteil berechnet werden. Statt der Möglichkeit einer Normalisierung durch die mittlere Durchflussrate, Quantifizierung von Surrogatviren oder üblichen Begleitparametern wie Leitfähigkeit und Ammonium, sollen in Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durch Spurenstoffanalytik weitere Möglichkeiten und Parameter für eine Normalisierung an verschiedenen Kläranlagenstandorten ausgetestet werden. Hierbei kommen spezielle, hochdurchsatzfähige Testverfahren (ELISA) zur Anwendung, die zur hochempfindlichen Messung von Arzneimittelrückständen, Inhaltsstoffen und Stoffwechselprodukten modifiziert wurden. Die einzelnen Spurenstoffe werden bezüglich ihrer Eignung als humane Fäkalindikatoren exemplarisch an den jeweiligen Standorten evaluiert. Datenplausibilisierung und Normalisierung – Forschung am Umweltbundesamt im Fachgebiet Abwassertechnikforschung, Abwasserentsorgung Die Konzentration von SARS-CoV-2 im Abwasser kann durch Veränderungen der Abwasserzusammensetzung beispielsweise durch Regenereignisse stark beeinflusst werden. Die Trenderkennung wird dadurch erschwert. Die Durchflussrate ist ein gängiger Parameter um diese Schwankungen in der Abwasserzusammensetzung abzubilden. Es gibt allerdings auch eine Reihe alternativer Parameter und weiterer Möglichkeiten. Daher entwickelt das UBA Methoden, die eine Beurteilung unterschiedlicher Plausibilisierungs- und Normalisierungsansätze ermöglichen. Das Ziel soll eine objektive, standortspezifische Bewertung der unterschiedlichen Parameter sein und wie durch die Verwendung des entsprechenden Ansatzes die Trenderkennung verbessert werden kann. Zusammenfassend werden am UBA für die Abwassersurveillance notwendige technische Verfahrensabläufe entwickelt, weiter optimiert, harmonisiert und im Rahmen von Technischen Leitfäden dokumentiert. Dies betrifft die Probenahme, Labormethoden, Logistikkonzepte und den Bereich der Datenverarbeitung und -übermittlung an das RKI . Darüber hinaus engagiert sich das UBA im Bereich der Normung.
Die Abwassersurveillance wird in Deutschland ergänzend zu bestehenden Krankheitsüberwachungssystemen der öffentlichen Gesundheit („Public Health“) genutzt. Das Ziel der Abwassersurveillance ist es, Informationen zum Auftreten sowie zu der Verbreitung von bekannten und neuen Infektionserregern und deren Varianten zu erfassen, um so das regionale Infektionsgeschehen besser einschätzen zu können. Was ist Abwassersurveillance? Die systematische Überwachung von Abwasser auf Infektionserreger mit dem Ziel, Entscheidungen für bevölkerungsbezogene Maßnahmen zu treffen, wird als abwasserbasierte Surveillance (auch kurz Abwassersurveillance) bezeichnet. Im Rahmen der Abwassersurveillance werden Abwasserproben aus Kläranlagenzuläufen gewonnen und auf verschiedene gesundheitsrelevante Zielparameter untersucht. Dafür werden die Proben in Laboren mit unterschiedlichen molekularbiologischen Methoden aufbereitet, analysiert und im Anschluss mit statistischen Methoden ausgewertet. Ziele der Abwassersurveillance Die gesundheitsrelevanten Informationen (ausgewertete Datensätze) aus dem Abwasser zu den unterschiedlichen Zielparametern können für verschiedene Zwecke genutzt werden: Besseres Erfassen der regionalen Verbreitung und des Ausmaßes von Infektionskrankheiten Unterstützung für das zeitnahe Ableiten von Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung Präventive Schutz- und Vorsichtsmaßnahmen zeitnahe Information der Bevölkerung Präventive Schutz- und Vorsichtsmaßnahmen zeitnahe Information der Bevölkerung System zur Unterstützung im Krisenfall - Pandemievorsorge („pandemic preparedness“) Verbreitung der Abwassersurveillance in Deutschland und weltweit Während der COVID19 Pandemie wurde das Abwasser als wichtige zusätzliche Informationsquelle für den Gesundheitsschutz wiederentdeckt. Bereits vor dem 2. Weltkrieg wurden im Abwasser Untersuchungen zum Vorkommen humaner Viren durchgeführt. Aufgrund zu diesem Zeitpunkt fehlender molekularbiologischer Methoden, wurden die ersten Erfolge dieser abwasserbasierten Epidemiologie (wastewater-based epidemiology, WBE) bis zum Jahr 2020 nur selten verwendet. Im März 2021 empfahl die EU-Kommission den europäischen Ländern die Einführung einer systematischen Überwachung von SARS-CoV-2 im Abwasser. Inzwischen wird die WBE nicht nur in Deutschland, sondern weltweit für die zusätzliche Unterstützung des Gesundheitsdienstes im Rahmen des präventiven Gesundheitsschutzes genutzt. Inzwischen werden zusätzlich zum SARS-CoV-2- Monitoring Konzepte für weitere Public Health-relevante Infektionserreger und gesundheitsgefährdende Stoffe erarbeitet. Außerdem hat die Europäische Kommission (EU) die Behörde HERA (Health Emergency Preparedness and Response Authority) errichtet, um u.a. Gefahren und potenzielle Notlagen im Gesundheitsbereich rechtzeitig zu erkennen und europaweit zu koordinieren. Vorteile und Grenzen der Abwassersurveillance Ein Vorteil der Erfassung von Erregerlasten im Abwasser wie dem Monitoring von SARS-CoV-2 ist es, dass auch Daten von Menschen erfasst werden, die nicht durch den Personen-gebundenen Nachweis in medizinischen Surveillancesystemen berücksichtigt werden. Personen, die beispielsweise aufgrund ihrer geringen Symptome keinen Arztbesuch oder Test in Erwägung gezogen haben, werden so miterfasst, ohne personen-gebundene Datenerfassung. Weiter bietet das Monitoring von Krankheitserregern im Abwasser die Möglichkeit, Ausbreitungstrends und zirkulierende Varianten verschiedener Erreger nach Regionen aufzuschlüsseln und so gegebenenfalls möglichst früh Maßnahmen für den Schutz der Bevölkerung einleiten zu können. Die abwasserbasierte Surveillance kann demnach auch als Frühwarnsystem für diverse Maßnahmen und Einrichtungen fungieren. Die Abwassersurveillance hat jedoch auch Limitierungen: Das Abwasser bietet keine Information zur Schwere und zum Verlauf von Infektionskrankheiten. Insgesamt wird die abwasserbasierte Surveillance daher als ergänzendes Instrument für die Einschätzung der epidemiologischen Lage verstanden. Ausblick und Links Zentrale Aufgabe des UBA im Rahmen der nationalen Abwassersurveillance ist die Vereinheitlichung und Harmonisierung von qualitätsgesicherten Messungen und Daten aus dem Abwasser. Diese dienen der Abschätzung von Risiken und können durch Gesundheitsbehörden genutzt werden. Für eine umfassende Einschätzung des Potentials der Abwassersurveillance benötigt es valide Daten-, sowie effektive Übermittlungswege. Auch der weitere Ausbau dafür notwendiger Kapazitäten, die Umsetzung von Routineüberwachungen sowie die Fortführung verschiedener Forschungsansätze ist notwendig. Dazu arbeitet das Umweltbundesamt (UBA) eng mit weiteren involvierten Behörden und Gremien zusammen und beteiligt sich mit verschiedenen Facheinheiten an verschiedenen internen, externen sowie nationalen und internationalen Projekten.