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Coronaviren im Abwasser aufspüren

Abwassermonitoring eignet sich als Frühwarnsystem für Sars-CoV-2 und andere Krankheitserreger. Mit einer mobilen Laboreinheit lassen sich Kläranlagen anfahren und Analysen direkt vor Ort durchführen.

Seit Beginn der Coronapandemie wurden verschiedenste Anstrengungen unternommen, um die Verbreitung von Sars-CoV-2 einzudämmen. In bemerkenswerter Geschwindigkeit gelang die Entwicklung von Testverfahren, die Viren über Nasen-Rachen-Abstriche, Speichel oder gar Stuhlproben mit der quantitativen Echtzeit-PCR (qRT-PCR) detektieren. Mittlerweile stehen zudem zahlreiche Schnelltests für den privaten Gebrauch zur Verfügung. Verschiedene Software-Applikationen wie die Corona-Warn-App, die Risikokontakte anzeigt, unterstützen Gesundheitsämter zudem bei der Kontaktnachverfolgung. Nicht zuletzt zählen die zugelassenen Impfstoffe zu den wichtigsten Instrumenten der Eindämmung der Pandemie.

All diese Anstrengungen scheinen aber nicht auszureichen. Viele Infektionen bleiben weiterhin unentdeckt, da Infizierte häufig symptomfrei erkranken und das Virus unwissentlich weitergeben. Außerdem vergeht wertvolle Zeit von der Ansteckung bis zur Kenntnis einer Infektion. Hinzu kommt, dass die individuelle Testbereitschaft weiter sinkt und die Ergebnisse der PCR-Tests häufig erst nach mehreren Tagen vorliegen – vor allem wenn die Labore angesichts hoher Infektionszahlen an ihre Kapazitätsgrenzen gelangen. Aus diesen Gründen, aber auch wegen der uneinheitlichen Meldepraxis der Gesundheitsämter hinkt die Datenerhebung und -auswertung der tatsächlichen Pandemielage hinterher.

Aktuelle Lage im Abwasser erkennen

Eine sinnvolle Strategie, das Infektionsgeschehen möglichst zeitnah abzubilden, ist die Analyse von Abwasserproben. Viele europäische Länder haben ein Abwassermonitoring bereits erfolgreich in ihre Pandemiebekämpfung implementiert.

Die Vorteile liegen auf der Hand: Mit Sars-CoV-2 Infizierte scheiden bereits mehrere Tage vor dem Auftreten erster Symptome Virenfragmente aus, die mit der qRT-PCR-Technik detektiert werden können. Unabhängig von der Testbereitschaft der Einzelpersonen steht mit einer Abwasserprobe, die zum Beispiel am Zulauf eines Klärwerks genommen wird, eine Sammelprobe zur Verfügung, die den gesamten Einzugsbereich der Kläranlage abdeckt. Da das Abwassermonitoring alle Personen erfasst, die in dem betreffenden Gebiet leben, lassen sich Infektionsherde schneller identifizieren als mit der herkömmlichen Teststrategie. Präventionsmaßnahmen können dann örtlich gezielt eingeleitet werden.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart hat im Rahmen eines internen Forschungsprogramms eine mobile Laboreinheit zur Analyse von Abwässern auf Sars-CoV-2 entwickelt und realisiert. Aufgabe des mobilen Labors ist es, durch die gezielte Auswahl von Messstellen tagesaktuelle Daten zu gewinnen und in kurzer Zeit ein aktuelles Bild der Pandemielage in Baden-Württemberg zu generieren. Die erhobenen Abwasserdaten helfen bei der Bewertung der getroffenen Maßnahmen. Außerdem können Regelungen genau dort rechtzeitig verschärft werden, wo die Verbreitung der Viren wieder aufflammt und ein Hotspot droht.

Schematischer Ablauf des Abwassermonitoring auf Coronaviren: Nachgewiesen wird das Erbgut von ausgeschiedenen Virenfragmenten, die nach aktuellem Kenntnisstand nicht infektiös sind. (Grafik: Fraunhofer IPA)

Die Einrichtung des mobilen Labors

Bei der Entwicklung des mobilen Labors legten die beteiligten Wissenschaftler zunächst die notwendigen Schritte der Analytik fest. Im Gegensatz zum Sars-CoV-2-Nachweis in Nasen-Rachen-Abstrichen gibt es für die Abwasseruntersuchung kein Best-practice-Protokoll. Je nach Entnahmeort und -zeitpunkt, dem vorherrschenden Wetter und der Niederschlagsmenge, der Größe und Art des Einzugsbereichs variiert die Probe in der Zusammensetzung. In einem reinen Wohngebiet etwa ist das Abwasser anders zusammengesetzt als in einem Industriegebiet. Das macht eine Konzentrierung der Virenfragmente bei gleichzeitiger Abreicherung eventueller Störfaktoren, die sich negativ auf die qRT-PCR auswirken, notwendig.

Entscheidend für die Konzeptionierung des mobilen Labors war, dass die Analyse der Abwasserprobe mit möglichst wenigen, flexibel einsetzbaren Geräten über einfache manuelle oder teilautomatisierte Schritte erfolgt. In die Auswahl flossen Parameter wie Platzbedarf, Gewicht, Robustheit gegenüber Erschütterungen, Stromversorgung und abgegebene Wärmelast ein.

Durch die räumliche Trennung von Analytik, Abfallentsorgung und Lagerung der Reagenzien sowie Verbrauchsmaterialien wurden verschiedene Bearbeitungsschritte voneinander abgegrenzt, um Kreuzkontaminationen zwischen den Proben und den Kontrollen zu verhindern. In einem kleineren Raum werden die Wasserproben vorbereitet und durch eine Probendurchreiche in den Analysenraum transferiert. Dort werden die Proben in definierten Bereichen, getrennt von den Positivkontrollen, mit eigenen Pipettensätzen weiterverarbeitet.

Weitere Anforderungen ergaben sich aus Regelungen zur biologischen Sicherheit, zum Arbeitsschutz, zum sicheren Transport und der erforderlichen TÜV-Zulassung. So wurden beispielsweise kleine Handwaschbecken mit Frischwassertanks, Handtuchhalter und Desinfektionsmittel- sowie Seifenspendern eingebaut. Auch Rauchwarnmelder und ein Verbandskasten für Erste-Hilfe-Maßnahmen sind an Bord.

Einsatzbereit und TÜV-geprüft: Abwasserlabor auf Rädern im Dienst der Pandemiebewältigung. (Foto: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

Sibylle Thude analysiert Abwasserproben im mobilen Labor. (Foto: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

Straßenzulassung liegt vor

Die Analytik wurde zunächst in einem stationären Labor etabliert und dann in die mobile Einheit überführt. Die im mobilen Labor aufgestellten Geräte sind zwecks Transportsicherung mit entsprechenden Vorrichtungen versehen. Komplett ausgestattet und mit den notwendigen Verbrauchsmaterialien an Bord wurde eine Wägung zur gleichmäßigen Lastenverteilung vorgenommen. Die Abnahme durch den TÜV erfolgte ohne Beanstandungen, die Straßenzulassung liegt vor.

Anfang Februar wurde die erste Fahrt erfolgreich durchgeführt, bei der die Abläufe der An- und Abfahrt sowie die waagerechte Aufstellung des mobilen Labors – wichtig für die Inbetriebnahme der Zentrifugen – im Vordergrund standen. Checklisten an Bord sorgen dafür, dass alle notwendigen Maßnahmen vor und nach Beendigung eines Einsatzes getroffen werden und nichts vergessen wird. Zur Überprüfung der Machbarkeit wurden bei der folgenden Fahrt Wasserproben entnommen und durch den gesamten Analysenprozess geführt. Auch dieser Test lief erfolgreich.

Das mobile Labor ist für den Einsatz bereit, um die aktuelle Pandemie zu bekämpfen oder zukünftige Erreger frühzeitig aufzuspüren.

Autorin: Sibylle Thude
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart
sibylle.thude (at) ipa.fraunhofer.de

Dieser Beitrag ist zuerst erschienen in analytica pro, dem dem offiziellen Messe-Magazin zur Analytica 2022. 

Dieser Artikel erschien zuerst auf faszinationchemie.de.

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