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Nicht jeder lässt sich testen. Aber alle gehen auf die Toilette: Wie Forscher die Ausbreitung der Pandemie im Abwasser mitverfolgen

Neue Zürcher Zeitung-Logo Neue Zürcher Zeitung 18.12.2020 Uta Neubauer

Mit den Ausscheidungen von Covid-19-Patienten gelangen Bruchstücke des neuen Coronavirus ins Abwasser. Das lässt sich nutzen, um ein realistisches Bild des Infektionsgeschehens zu zeichnen.

Das Klärwerk in Lausanne-Vidy, von oben besehen. Es ist eines der beiden Klärwerke, in denen die Forscher von Eawag und EPFL regelmässig Abwasserproben auf Sars-CoV-2 untersuchen. Jean-Christophe Bott / Keystone © Bereitgestellt von Neue Zürcher Zeitung Das Klärwerk in Lausanne-Vidy, von oben besehen. Es ist eines der beiden Klärwerke, in denen die Forscher von Eawag und EPFL regelmässig Abwasserproben auf Sars-CoV-2 untersuchen. Jean-Christophe Bott / Keystone

Die zweite Welle der Covid-19-Pandemie hat viele Länder mit voller Wucht erfasst. Das spiegelt sich nicht nur in den veröffentlichten Fallzahlen, sondern auch im Abwasser: Über Stuhl und andere Ausscheidungen von infizierten Personen gelangt Sars-CoV-2 in die Kanalisation. Eine Ansteckungsgefahr gehe vom Abwasser nach derzeitigem Kenntnisstand aber eher nicht aus, erklärt der Virologe René Kallies vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig. Selbst wenn der Stuhl noch intakte Viren enthält, machen ihnen die im Abwasser reichlich vorhandenen Reinigungsmittel den Garaus. Seifenmoleküle und andere Tenside zerstören die Virushülle. Aber die Erbinformation der Viren, ihre RNA, übersteht den Weg bis in die Kläranlage und kann dort nachgewiesen werden – mit der gleichen PCR-Methode wie in der medizinischen Diagnostik. Zahlreiche Forschergruppen weltweit wollen diese Informationen jetzt im Kampf gegen die Pandemie nutzen.

Die UFZ-Wissenschafter beispielsweise sammelten von Mitte Oktober bis Ende November Proben aus rund 50 Kläranlagen in ganz Deutschland. Die ersten beiden Wochen seien ausgewertet, in fast allen Proben habe man das Virenerbgut nachgewiesen, erklärt Kallies. Ihr Messprotokoll wollen die Forscher nun anderen Abwasserlaboren zur Verfügung stellen. Das Ziel ist ein deutschlandweites Monitoring. Mit Probenahmen von etwa 900 Kläranlagen liessen sich 80 Prozent des Abwasserstroms und damit ein Grossteil der Bevölkerung in Deutschland erfassen.

Abwasser lügt nicht

Das klingt vielversprechend, zumal alle Infizierten – auch jene, die sich wegen fehlender, leichter oder unspezifischer Symptome nicht testen lassen – die Toilette benutzen. «Abwasser lügt nicht», betont Christoph Ort vom Wasserforschungsinstitut Eawag in Dübendorf. Innert weniger Stunden könne man sehen, was die Bevölkerung ausscheide.

Seit Februar untersuchen die Eawag-Forscher zusammen mit der Gruppe von Tamar Kohn an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) Abwasser auf Sars-CoV-2. Aktuell analysieren sie Mischproben aus dem Zulauf der Klärwerke in Zürich und Lausanne, die jeweils von null Uhr morgens bis Mitternacht gesammelt werden. Am Abend des Folgetages könnte das Laborergebnis vorliegen – theoretisch. Derzeit gibt es einen Rückstau von mehreren Tagen. Wenn das Abwassermonitoring aber etabliert sei und reibungslos funktioniere, liessen sich Neuinfektionen auf diesem Weg etwa zwei bis drei Tage schneller erkennen als mit klinischen Tests, nimmt Kohn an.

Ausreichend empfindlich ist die Methode: Selbst als es in Zürich zu Beginn der Pandemie erst eine Handvoll registrierte Corona-Fälle gab (tatsächlich dürften es mehr gewesen sein), fanden die Forscher im Abwasser schon Genfragmente des Virus. Die Nachweisgrenze in Abwasserproben liege bei ungefähr zehn klinisch bestätigten Neuinfizierten je 100 000 Personen täglich, schätzt Ort mittlerweile. Im Ablauf eines Altersheims etwa liessen sich wegen der geringeren Verdünnung sogar einzelne Fälle nachweisen. Zwar kann eine Abwasseruntersuchung die infizierte Person nicht identifizieren, aber als kostengünstiger Massentest wäre sie eine gute Ergänzung zur bisherigen Teststrategie. Neu ist diese Idee nicht: Die Weltgesundheitsorganisation nahm Abwasseranalysen auf Polioviren schon vor zehn Jahren in ihr Programm zur Ausrottung der Kinderlähmung auf.

Die Niederlande als Vorreiter

Im Frühjahr hatten Forscher vielerorts gehofft, dass das Abwassermonitoring beim Anrollen der zweiten Corona-Welle zum Einsatz kommt. So schnell wurde die Idee aber nicht umgesetzt – zumindest nicht in Deutschland und der Schweiz. Die niederländische Regierung hingegen zeigt auf ihrem Corona-Dashboard eine wöchentlich aktualisierte Landkarte mit Angaben zu Sars-CoV-2 im Abwasser. 300 Kläranlagen werden dafür beprobt. Gertjan Medema vom Wasserforschungsinstitut KWR in Nieuwegein zählt zu den Pionieren auf diesem Gebiet: Sein Team begann schon Anfang Februar mit der Abwasseranalyse auf das neue Virus, obwohl es den ersten bestätigten Covid-19-Fall in den Niederlanden erst Ende Februar gab. Während der Sars-Pandemie 2002/03 gehörte Medema dem Expertenteam der Weltgesundheitsorganisation an. Schon die ersten Meldungen aus China zu einer neuen Infektionskrankheit weckten seine Aufmerksamkeit. Im Abwasser aus dem niederländischen Amersfoort entdeckte sein Labor das Virus erstmals am 5. März. Offiziell wurde der erste Corona-Patient in dem Gebiet eine Woche später registriert.

Luxemburgs Corona-Politik stützt sich ebenfalls auf die Abwasseranalytik. Schon Anfang Juli warnte Paulette Lenert, die Gesundheitsministerin des Grossherzogtums, vor einem Anstieg der Fallzahlen und bezog sich dabei unter anderem auf im Abwasser entdeckte Coronaviren. Ende Oktober bezeichnete sie die Resultate aus den Kläranlagen als alarmierenden Hinweis auf eine hohe Dunkelziffer an Infizierten.

Die in den Abwasserproben aus Lausanne und Zürich gemessenen Mengen an Viren-RNA deuten an, dass die Schweizer Fallzahlen zum Zeitpunkt des Höchststandes im November ebenfalls unterschätzt wurden. «Um die Dunkelziffer ableiten zu können, brauchen wir aber mehr Daten», sagt die EPFL-Wissenschafterin Kohn. Erst seit November erhalten sie und ihr Kollege Ort täglich Abwasserproben aus den Klärwerken in Zürich und Lausanne. Die Daten sollen nun auch der Berechnung des R-Wertes, der Reproduktionszahl, dienen. Liegt der Wert über 1, verbreitet sich Covid-19 exponentiell. Seit kurzem kooperieren die Abwasserforscher mit der Mathematikerin Tanja Stadler von der ETH Zürich, deren Gruppe den R-Wert für die Schweiz täglich rekonstruiert, basierend auf den Fallzahlen vom Bundesamt für Gesundheit. Die derzeitige Datenbasis ist allerdings mit einem gewissen Fehler behaftet, da sie zum Beispiel die Dunkelziffer nicht berücksichtigt. Wegen der Verzögerung zwischen Ansteckung und positivem Testergebnis hinkt der R-Wert dem tatsächlichen Infektionsgeschehen zudem rund zehn Tage hinterher. «Es könnte sein, dass sich aus den Abwasserdaten ein zeitnäherer R-Wert berechnen lässt», sagt Kohn.

Engpass bei Reagenzien und Verbrauchsmaterial

Bei der Interpretation der Abwasserdaten sind allerdings noch entscheidende Punkte offen. «Vor allem brauchen wir mehr Informationen zu der Virenmenge, die ein Patient im Durchschnitt ausscheidet», sagt der Eawag-Forscher Ort. So sei noch unklar, wie viele Infizierte überhaupt Viren im Stuhl aufwiesen und ab welchem Zeitpunkt – schon vor dem Auftreten der Symptome oder erst im späteren Verlauf? Zu anderen Ausscheidungen ist ebenfalls erst wenig bekannt. Im Urin sei auch Virenmaterial enthalten, wenngleich wohl deutlich seltener als im Stuhl, sagt der UFZ-Virologe Kallies. Der Eintrag über den Speichel beim Zähneputzen wurde bis anhin kaum untersucht.

Abgesehen von diesen Wissenslücken, die sich bald schliessen werden, stehen die Abwasserforscher noch vor einem anderen Problem: «Wir haben momentan immense Schwierigkeiten, die benötigten Reagenzien und Plastikmaterialien zu bekommen», klagt Kallies. Zurzeit könne man nur eingeschränkt messen. In den Laboren an der Eawag und der EPFL ist die Lage nicht ganz so drastisch, aber auch hier gehen immer wieder gewisse Dinge aus, Pipettenspitzen aus Kunststoff etwa oder Verbrauchsmaterialien für die Abwasseraufbereitung. Die Schweizer Forscher wollen jetzt eine Messtechnik entwickeln, die möglichst unabhängig von solchen Engpässen ist. Wegen der Vergleichbarkeit der alten und neuen Daten könne man die Nachweismethode auf Coronaviren zwar nicht einfach ändern, meint Kohn, aber für die Zukunft will sie gewappnet sein: «Sars-CoV-2 ist vermutlich nicht das letzte pandemische Virus.» Ein funktionierendes Abwassermonitoring als Frühwarnsystem wäre dann hilfreich. Könnte man regionale Ausbrüche über Abwassermessungen schnell erkennen, liessen sich Kontaktverbote und andere strenge Massnahmen auf die betroffenen Gebiete beschränken – und wieder lockern, sobald das Abwasser frei von Virusbestandteilen ist.

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