Im Projekt „Abwassermonitoring für die epidemiologische Lagebewertung“ erheben das Umweltbundesamt und Robert Koch-Institut die Viruslast von Krankheitserregern im Abwasser. Dabei wird von einem interdisziplinären Team unmittelbar der One-Health Gedanke umgesetzt: Forschungsdaten aus dem Bereich Umwelt und öffentliche Gesundheit werden zeitnah ausgewertet, vereinigt und öffentlich bereitgestellt.
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 deutschlandweit im Abwasser vorkommen. So kann die lokale Verbreitung von Viren wie SARS-CoV-2, Influenzaviren und weiteren Erregern zeitnah erfasst und beurteilt werden. Im ersten Projektabschnitt (2023-2024) wurden ca. 170 Kläranlagen überwacht, seit 2025 werden Abwasserproben von noch ca. 50 Kläranlagen zweimal wöchentlich untersucht. Das vereinfachte Monitoringspektrum deckt immer noch Abwasserdaten von etwa 25 % der Bevölkerung ab. An diesem durch das Bundesministerium für Gesundheit (BMG) geförderten Kooperationsprojekt sind auch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV), sowie die für Gesundheit und Umweltschutz verantwortliche Behörden der 16 Bundesländer (unterschiedlich ausgeprägt) beteiligt.
Das AMELAG-Vorhaben setzt den etablierten One-Health-Gedanken in vorbildlicher Weise um: Wissenschaftler*innen unterschiedlichster Fachdisziplinen arbeiten hier Hand in Hand und über die Grenzen ihrer einzelnen Fachgebiete hinweg. Nur durch diese Zusammenarbeit können die Expertisen aus den Bereichen Umwelt- und Naturwissenschaften, Gesundheitswissenschaften und öffentlicher Gesundheit, Data Science und Statistik das Abwasser als 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 zweimal 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 auf Genfragmente von SARS-CoV-2, Influenzaviren und den Humanen Respiratorischen Synzytial Viren (RSV), werden am Umweltbundesamt auch verschiedene weitere Methoden zum Nachweis weiterer, klinisch relevanter Infektionserreger entwickelt und etabliert.
Konzentrierung Proben Quelle: AMELAG
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. Seit Ende Januar 2025 werden die Daten der nationalen Abwassersurveillance auch auf der europäischen Version The European Wastewater Surveillance Dashboard gemeinsam mit den Abwassermonitoringdaten anderer EU-Länder veröffentlicht.
Wissenschaftliche Fragestellungen und Forschung am UBA
Agarplatte AMR Quelle: AMELAG
Erarbeitung von Nachweisverfahren für den Nachweis von Infektionserregern und antimikrobiellen Resistenzen (AMR) und weiteren Public Health-relevanten viralen Erregern in Abwasserproben – Forschung am Umweltbundesamt im Fachgebiet Mikrobiologische Risiken
Es werden Methoden für den belastbaren Nachweis von relevanten Infektionserregern und deren Antibiotikaresistenzen sowie von Public-Health-relevanten viralen Erregern in Abwasserproben entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf Enterobakterien mit klinisch wichtigen Antibiotikaresistenzen sowie auf Influenza A/B und weiteren respiratorischen oder gastrointestinalen Viren. Ein mehrstufiger Screening-Prozess kombiniert den direkten Nachweis lebender Bakterien, Resistenzgene und Sequenzinformationen mit massenspektrometrischen, molekularbiologischen und sequenzbasierten Verfahren. Gleichzeitig werden für virale Erreger neue Aufbereitungs- und Extraktionsmethoden erprobt, um Nukleinsäuren zu isolieren und anzureichern. Hierzu zählen die Entwicklung und Validierung von Konzentrationsverfahren, Versuchsreihen mit inaktivierten Viren oder viraler Nukleinsäure sowie Untersuchungen zur Ermittlung der Bestimmungsgrenzen. Das Ziel besteht darin, qualitätsgesicherte und robuste Labormethoden bereitzustellen, die durch fortlaufende Optimierung und Harmonisierung in die Abwassersurveillance integriert werden können.
Laborharmonisierung und Abwasserparameter – Forschung am Umweltbundesamt im Fachgebiet Abwasseranalytik, Überwachungsverfahren
Die derzeit gemessenen Konzentrationen von SARS-CoV-2, Influenzaviren und RSV im Abwasser werden im Rahmen von AMELAG von über 10 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.
Neben der Erfassung der Gensequenzen wird auch eine Reihe weiterer Parameter im Abwasserüberwacht überwacht. Vorrangiges Ziel ist, diese Daten zu nutzen um witterungsbedingte Schwankungen der Abwasserzusammensetzung auszugleichen, bzw. starke Schwankungen besser interpretieren zu können.
Datenplausibilisierung und Normalisierung – Forschung am Umweltbundesamt im Fachgebiet Abwassertechnikforschung, Abwasserentsorgung
Die Konzentration von Viren und anderen Erregern im Abwasser kann durch Veränderungen in der Abwasserzusammensetzung stark beeinflusst werden. Grund hierfür beispielsweise Niederschläge, aber auch Einleitungen aus Industrie und Gewerbe. Die Trenderkennung wird dadurch erschwert. Der Zufluss zur Kläranlage ist ein gängiger Parameter um diese Schwankungen in der Abwasserzusammensetzung abzubilden. Je nach Kläranlage und Kanalsystem können aber andere Parameter besser geeignet sein. Daher entwickelt das UBA Methoden, die eine standortspezifische Beurteilung unterschiedlicher Plausibilisierungs- und Normalisierungsansätze ermöglichen. Über ein automatisiertes Verfahren soll so der am besten geeignete Parameter identifiziert und mit dem entsprechenden Ansatz die Trenderkennung verbessert werden.
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.
Weiterführende Literatur
Durch Forschungsarbeiten mit Beteiligung sowie direkt am Umweltbundesamt und Robert-Koch-Institut (RKI) sind in den letzten Jahren zahlreiche wissenschaftliche Veröffentlichungen im Rahmen des Abwassermonitoring Projektes entstanden:
Saravia, C.J., Pütz, P., Wurzbacher, C., Uchaikina, A., Drewes, J.E., Braun, U., Bannick, C.G., Obermaier, N., 2024. Wastewater-based epidemiology: deriving a SARS-CoV-2 data validation method to assess data quality and to improve trend recognition. Front. Public Health 12. https://doi.org/10.3389/fpubh.2024.1497100.
Marquar, N., Pütz, P., Buchholz, U., Exner, T., Fretschner, T., Greiner, T., Helmrich, M., Lukas, M., Marty, M., Obermaier, N., Saravia Arzabe, C., Schattschneider, A., Schneider, B., Selinka, H.-C., Ullrich, A., Walther, B., Braun, U., Schumacher, J., 2024. SARS-CoV-2-Abwassersurveillance in Deutschland im Rahmen des Projekts AMELAG. https://www.rki.de/DE/Content/Infekt/EpidBull/Archiv/2024/Ausgaben/34_24.html
Loenenbach, A., Lehfeld, A.-S., Puetz, P., Biere, B., Abunijela, S., Buda, S., Diercke, M., Dürrwald, R., Greiner, T., Haas, W., Helmrich, M., Prahm, K., Schumacher, J., Wedde, M., Buchholz, U., n.d. Participatory, Virologic, and Wastewater Surveillance Data to Assess Underestimation of COVID-19 Incidence, Germany, 2020–2024 - Volume 30, Number 9—September 2024 - Emerging Infectious Diseases journal - CDC. https://doi.org/10.3201/eid3009.240640
„Für Mensch und Umwelt“ ist der Leitspruch des UBA und bringt auf den Punkt, wofür wir da sind. In diesem Video geben wir Einblick in unsere Arbeit.
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