„CSI Abwasser“ im
Kampf gegen Corona

Abwasserüberwachung liefert wertvolle Informationen für Pandemie-Management – Weiterer Ausbau geplant

Eine Mitarbeiterin der TU Wien, die Laborhandschuhe und eine FFP-2-Maske trägt, prüft ein Messglas, das Wiener Abwasser enthält. © Christian Houdek
© Christian Houdek

Die Entwicklung eines „Frühwarnsystem(s) für Pandemien durch Abwasseranalysen“ ist Teil des Koalitionsabkommens der Wiener Regierungsparteien SPÖ und NEOS (Die Fortschrittskoalition für Wien, Kapitel 3.7, S. 81). Nun zieht Klimastadtrat Jürgen Czernohorszky eine erste Zwischenbilanz des auf vier Jahre angelegten Vorhabens: „Das unter Federführung der von der ebswien betriebenen Wiener Kläranlage und der TU Wien stehende Projekt ,CSI Abwasser‘ läuft äußerst erfolgreich. Die Abwasseranalysen liefern in der aktuellen Corona-Pandemie wertvolle Erkenntnisse für die Gesundheitsbehörden. Im Abwasser sind Veränderungen im Pandemiegeschehen früher zu erkennen, als sie sich in den Inzidenzen niederschlagen. Ein Vorsprung, der in die Entscheidungen des Krisenmanagements einfließt.“

Porträt des Wiener Klimastadtrats Jürgen Czernohorszky. © Ingo Pertramer
© Ingo Pertramer

Klimastadtrat Jürgen Czernohorszky

Die Stadt Wien wird die Abwasserüberwachung auch weiterhin aktiv unterstützen, sowohl ganz praktisch durch die Probenahmen in Kläranlage und Kanal, als auch finanziell. Denn ,CSI Abwasser´ trägt zum Schutz der Gesundheit aller Wienerinnen und Wiener bei.

Klimastadtrat Jürgen Czernohorszky
Porträtaufnahme Norbert Kreuzinger
© privat

Ass.-Prof. Dr. Norbert Kreuzinger (TU Wien)

Der wissenschaftliche Leiter von „CSI Abwasser“, Norbert Kreuzinger vom Institut für Wassergüte und Ressourcenmanagement (IWR) der Technischen Universität (TU) Wien, betont die Bedeutung des Projekts: „Die EU-Kommission empfiehlt mittlerweile den Mitgliedsstaaten die Abwasserüberwachung als wichtiges Instrument im Kampf gegen die Corona-Pandemien, aber auch gegen künftige Herausforderungen durch bedenkliche Krankheitserreger. Die Stadt Wien stand diesem Ansatz schon frühzeitig sehr aufgeschlossen gegenüber. Dank der großen Unterstützung städtischer Institutionen wie der Wiener Kläranlage, Wien Kanal und der MA 15 – Gesundheitsdienste sowie der Vernetzung mit anderen universitären und außeruniversitären Forschungseinrichtungen liegt das Projekt ,CSI Abwasser‘ auch international im absoluten Spitzenfeld und findet dort Beachtung.“

Meilensteine

Folgende Meilensteine hat das Projekt „CSI Abwasser“ erreicht:

  • Entwicklung einer stabilen Methode zur Analyse des Wiener Abwassers auf das SARS-CoV-2-Virus, die durchgehend belastbare Ergebnisse liefert;
  • Aufbau eines Workflows, mit dem im 2.500 Kilometer langen Wiener Kanalnetz Teileinzugsgebiete bis hin zu einzelnen Objekten einem schnellen und verlässlichen Monitoring unterzogen werden können;
  • Aufbau einer intensiven Kooperation mit universitären (TU Wien, MedUni Wien) und außeruniversitären (CeMM der ÖAW) Institutionen zur weitergehenden Analyse der Abwasserproben (Mutationsanalyse, Sequenzierung);
  • Kontrolle von „Points of Interest“ (z.B. Senior*innen-Wohnheime, Schulen, Spitäler) im Auftrag der Gesundheitsbehörden, wodurch Veränderungen im Pandemie-Geschehen, etwa der Erfolg gesetzter Maßnahmen (z.B. Restriktion von Besuchen, Impfungen), rasch überprüft werden können;
  • Aufbau einer institutionalisierten Kommunikation mit Stadt Wien – Gesundheitsdienst (MA 15) und dem Wiener Gesundheitsverbund, womit sichergestellt ist, dass die Ergebnisse von „CSI Abwasser“ dem Krisenstab der Stadt Wien als Beitrag zur Entscheidungsfindung zeitgerecht zur Verfügung stehen;
  • Entwicklung eines Visualisierungs-Tools zur übersichtlichen Darstellung der Messergebnisse aus verschiedenen Kanal-Einzugsgebieten;
  • Aufbau eines „Abwasserarchivs“ durch die Lagerung von Proben bei minus 80 °C, wodurch künftige wissenschaftliche und epidemiologische Fragestellungen auch für die Vergangenheit beantwortet werden können;
  • Einbindung des Projekts „CSI Abwasser“ in nationale und EU-weite Projekte, die ebenfalls das Ziele der Entwicklung einer Abwasserepidemiologie verfolgen.

Weiterer Ausbau der Abwasserüberwachung geplant

Aufgrund der aktuellen Corona-Pandemie stand das SARS-CoV-2-Virus bei der Abwasserüberwachung bisher im Zentrum. „CSI-Abwasser“-Leiter Kreuzinger: „Parallel dazu haben wir im Auftrag der Gesundheitsbehörden das Abwasser aber auch laufend auf das Vorkommen von Influenza-Viren untersucht, da eine Grippe-Epidemie die Krankenhäuser vor eine zusätzliche enorme Herausforderung stellen würde.“ Dieser Ansatz soll künftig noch weiter ausgebaut werden, so der TU-Wissenschaftler: „Die Vogelgrippe ist derzeit in einigen Ländern wieder Thema, ich denke aber auch an die Ausweitung der Abwasserüberwachung auf Noro- oder Enteroviren. In Abstimmung mit den Wiener Gesundheitsbehörden und unseren wissenschaftlichen Partnern wollen wir ,CSI Abwasser‘ in diese Richtung massiv weiterentwickeln.“

Die Unterstützung der Stadt dafür ist gegeben. Stadtrat Czernohorszky: „Die Stadt Wien wird die Abwasserüberwachung auch weiterhin aktiv unterstützen, sowohl ganz praktisch durch die Probenahmen in Kläranlage und Kanal, als auch finanziell. Denn ,CSI Abwasser´ trägt zum Schutz der Gesundheit aller Wienerinnen und Wiener bei.“

Fragen und Antworten zu „CSI Abwasser“

Im Rahmen der Abwasserüberwachung des SARS-CoV-2-Virus wird die Menge der Virus-RNA – also das Erbgut des Virus – bezogen auf die gesamte Abwassermenge (Virenfracht in Genkopien pro Tag) sowie auf die Stickstoff-Belastung im Abwasser gemessen. Jede/r Einwohner*in (EW) scheidet täglich 11 Gramm an Stickstoff aus, dafür steht die Abkürzung EW11 (TN), wobei TN Total Nitrogen, also Gesamt-Stickstoff bedeutet. Die Virenfracht wird in Genkopien pro EW11 – und damit bezogen auf eine Ausscheiderin bzw. einen Ausscheider angegeben. Weiters wird das Vorkommen von Spuren des Influenza-Virus im Wiener Abwasser untersucht.

Infizierte Personen scheiden in der Regel schon ab einem frühen Zeitpunkt der Infektion, also vor dem Vorliegen eines positiven Testergebnisses oder dem Auftreten von Symptomen, Virus-RNA über ihren Stuhl aus. Vergleicht man die statistisch geglättete Kurve (rot) der Abwasserüberwachung mit der 7-Tagesinzidenz (Abbildung 1) ist ein zeitlicher Vorsprung der Abwasserüberwachung sowohl bei steigenden als auch bei sinkenden Mengen bzw. Inzidenzen zu erkennen. Dieser Vorsprung hängt auch von der Menge der durchgeführten Tests ab, welche die Basis für die Zahl der Erkrankten darstellen.

Das Diagramm zeigt die im Wiener Wasser gemessenen SARS-CoV-2-Genkopien, das geglättete Abwassersignal und die absoluten Corona-Fälle in Wien laut dem Epidemiologischen Meldesystem (EMS).
Abbildung 1


Die Abwasseranalysen geben außerdem einen guten Überblick über die Entwicklung verschiedener Mutationen des SARS-CoV-2-Virus. Abbildung 2 zeigt dies am Beispiel der Omikron-Varianten BA.1 und BA.2.

Das Diagramm zeigt neben den im Abwasser gemessenen Genkopien des SARS-CoV-2-Virus, dem geglätteten Signal und den Wiener Fallzahlen gemäß Epidemiologischen Meldesystem (EMS) auch die Entwicklung der Omikron-Varianten BA.1 und BA.2.
Abbildung 2

Nein. Im Abwasser ist nicht das aktive, infektiöse Virus vorhanden, und es lässt sich nur sein Erbgut (RNA) nachweisen, das nicht ansteckend ist. Die für die Infektion notwendigen Virenbestandteile („Spike-Protein“) werden im Abwasser so verändert, dass das Virus nicht mehr an menschliche Zellen andocken kann. Die Klärung dieser Frage war für die Wiener Kläranlage und Wien Kanal zu Beginn der Corona-Pandemie von entscheidender Bedeutung, um eine Gesundheitsgefährdung ihrer Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auszuschließen.

Nein. Auch die Spuren anderer Viren, wie etwa des Grippe-Virus, können durch das Abwasser-Monitoring entdeckt werden. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) setzt in ihrem Kampf zur Ausrottung der Kinderlähmung (Poliomyelitis, kurz Polio) seit mehreren Jahren international auf die Überwachung von Abwässern: Die Proben aus Kanälen und Kläranlagen dienen als Frühwarnsystem, das eventuell vorhandene zirkulierende Polioviren in Abwässern schon lange vor dem Auftreten eines Erkrankungsfalles erfassen kann.

Die Messungen im Rahmen der Abwasserüberwachung sind so genau, dass eine mit Covid-19 infizierte Person unter 10.000 Einwohner*innen entdeckt werden kann. Das heißt, die Abwasserüberwachung liefert mit der routinemäßig eingesetzten Methode schon bei der niedrigen Tagesinzidenz von 10 pro 100.000 Einwohner*innen Ergebnisse. Bei Bedarf kann diese Sensitivität sogar gesteigert werden.

Ausgangspunkt für die Abwasserüberwachung punkto Pandemie-Geschehen sind 24-Stunden-Tagesmischproben, sowohl im Zulauf der Kläranlage der Stadt Wien als auch bei den mobilen Probenehmern im Wiener Kanalnetz.

Die Probenahme in der Kläranlage für die Abwasserüberwachung im Rahmen des Pandemiegeschehens erfolgt grundsätzlich dreimal wöchentlich (jeweils am Sonntag, Dienstag und Donnerstag). Die Probenahme in den vier Hauptsammelkanälen erfolgt grundsätzlich einmal pro Woche am Sonntag. Die Intervalle können bei Bedarf intensiviert werden. Weiters werden wöchentlich einzelne Abschnitte der vier Hauptsammelkanäle beprobt. Pro Messreihe werden bis zu 16 Abwasserproben zur Messung der SARS-CoV-2-Fracht gezogen.

Ja. Das insgesamt 2.500 Kilometer lange Wiener Kanalsystem weist vier Hauptsammelkanäle als wesentliche Transportstränge auf, die unterschiedliche Stadtteile entwässern:
  • Linker Donausammelkanal (LDS) linksufrig der Donau für die Bezirke 21 und 22
  • Linker Hauptsammelkanal (LHSK) zwischen Donau und Donaukanal für die Bezirke 2 und 20
  • Liesingtal Sammelkanal (LSK) im Süden für die Bezirke 10 und 23
  • Rechter Hauptsammelkanal (RHSK) für die restliche Fläche und die Bezirke 1, 3 bis 9, 11 bis 19)

  • Ergeben sich Auffälligkeiten bei den Abwasseranalysen der einzelnen Sammelkanäle, wird durch sogenannte „Iterationen“ die Ursache bzw. der Ursprungsort weiter eingegrenzt. Dafür müssen die mobilen Probenehmer im jeweiligen Kanal von der Mündung „weiter nach oben“ versetzt werden. So können einzelne Straßenzüge oder Wohnblöcke untersucht werden. Diese Einengung des Untersuchungsgebiets kann bis zu einzelnen größeren Objekten gehen, in diesem Fall wird der mobile Probenehmer direkt bei der Mündung des Hauskanals in das öffentliche Kanalnetz eingesetzt.

    „Points of Interest“ sind einzelne Objekte, denen die Gesundheitsbehörde aus unterschiedlichen Gründen erhöhte Aufmerksamkeit widmet. So können beispielsweise die Auswirkungen der Impfkampagne in einem Senior*innen-Wohnheim oder das Infektionsgeschehen an einer einzelnen Schule überwacht werden. Dazu wird eine mobile Probenahmestation an der Einmündung des Hauskanals in das öffentliche Kanalnetz positioniert, mit der die 24-Stunden-Tagesmischprobe gezogen wird.

    Das Projektteam von „CSI Abwasser“ tauscht sich in einem wöchentlichen Jour fixe mit Stadt Wien – Gesundheitsdienste (MA 15) aus. Dabei werden vorliegende Ergebnisse diskutiert und die nächsten Beprobungen abgestimmt. Aktuelle Ergebnisse werden zeitnah, unabhängig vom Jour fixe an die Gesundheitsbehörde in Form eines schriftlichen Berichts übermittelt. Damit ist sichergestellt, dass das Wiener Pandemie-Management – die MA 15 ist Teil des Krisenstabs – immer aktuell über die Ergebnisse der Abwasserüberwachung informiert ist.

    • Die Probenahme und die Bestimmung bzw. Übermittlung der zugehörigen abwassertechnischen Daten erfolgt in der Kläranlage der Stadt Wien durch die Betreiberin, die ebswien kläranlage & tierservice Ges.m.b.H. Die mobilen Probenehmer im Wiener Kanalnetz werden durch Stadt Wien – Wien Kanal betreut.
    • Die Vorbereitung (durch Zentrifugieren) und Aufbereitung der Proben (RNA-Isolation) erfolgt im Labor des Instituts für Wassergüte und Ressourcenmanagement (IWR) der Technischen Universität (TU) Wien, das auch die quantitative Echtzeit-PCR (englisch Real Time quantitative PCR, kurz RT-qPCR) durchführt. Ebenso Aufgabe des IWR sind sämtliche Berechnungen und die Aufbereitung aller analytischen Ergebnisse. Die wissenschaftliche Projektleitung liegt bei Dr. Norbert Kreuzinger.
    • Die Untersuchung der Abwasserproben auf (Flucht-)Mutationen erfolgt am Klinischen Institut für Labormedizin am Universitätsklinikum AKH der MedUni Wien. Dabei kommen spezifische ddPCR-Methoden (ddPCR steht für droplet digital PCR) zum Einsatz, mit der eine absolute Quantifizierung von Mutationen möglich ist, die für einzelne Virenvarianten (zB. Delta oder Omikron) typisch sind. Damit lässt sich die Verbreitung und Ausbreitung der Varianten genau nachverfolgen. Die Untersuchungen leitet Assoc. Prof. Univ.-Doz. DDr. Harald Esterbauer.
    • Die Vollgenomsequenzierung der Zulaufprobe Kläranlage im Zuge der gesamtösterreichischen Überprüfung auf vorhandene Mutationen leitet Univ.-Prof. Dr. Andreas Bergthaler, Professor für Molekulare Immunologie an der MedUni Wien bzw. CeMM der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (Research Center for Molecular Medicine of the Austrian Academy of Sciences). 

    Nach Probenübernahme dauern Vor- und Aufbereitung im Labor des Instituts für Gewässergüte und Ressourcenmanagement (IWR) der TU Wien rund 4 Stunden, die qPCR-Analyse und ihre Auswertung weitere 3 bis 4 Stunden. Die ddPCR-Analysen an der MedUni Wien, die einen guten Überblick über die Mutationen des Virus bieten, können innerhalb eines Tages durchgeführt werden. Die vollständige Sequenzierung der Proben am CeMM dauert rund 10 Tage.

    Abwasser ist ein Spiegel der Gesellschaft. Alles, was die Menschen zu sich nehmen, wird – zumindest über Abbauprodukte – wieder ausgeschieden und lässt sich mit entsprechenden Analysemethoden im Abwasser finden. Das gilt etwa für legale und illegale Drogen, für Medikamente und Antibiotikaresistenzen. Und eben auch für Viren, die Krankheiten verursachen.