AMELAG Abwassermonitoring für die epidemiologische Lagebewertung | Umweltbundesamt

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.