Abwasserrisiken und -überwachung im Lichte der COVID neu überdenken

Nature Sustainability Band 3, Seiten 981–990 (2020)Diesen Artikel zitieren

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Die COVID-19-Pandemie hat schwere Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit und die Weltwirtschaft. Konvergente Erkenntnisse aus der aktuellen Pandemie, früheren Ausbrüchen und kontrollierten Experimenten deuten darauf hin, dass SARS-CoVs mehrere Tage lang im Abwasser vorhanden sind und über wasserbasierte und aerosolisierte Abwasserwege zu potenziellen Gesundheitsrisiken führen. Die konventionelle Abwasserbehandlung ermöglicht nur eine teilweise Entfernung von SARS-CoVs, daher hängt eine sichere Entsorgung oder Wiederverwendung von der Wirksamkeit der abschließenden Desinfektion ab. Dies unterstreicht die Notwendigkeit eines Risikobewertungs- und Managementrahmens, der auf die Übertragung von SARS-CoV-2 über Abwasser zugeschnitten ist, einschließlich neuer Instrumente zur Umweltüberwachung, um eine angemessene Desinfektion als Bestandteil der allgemeinen Eindämmung der COVID-19-Pandemie sicherzustellen.

Die anhaltende COVID-19-Pandemie wird durch ein neues menschliches Coronavirus (SARS-CoV-2) verursacht. Infektionen können zu einem schweren akuten respiratorischen Syndrom (SARS) sowie zu einer wachsenden Zahl anderer schwerwiegender Erkrankungen führen. Diese globale Pandemie hat innerhalb von sieben Monaten weltweit bereits zu mehr als 600.000 Todesfällen geführt1. Im letzten Jahrhundert haben sich Ausbrüche viralen Ursprungs zunehmend zu weltweiten Pandemien entwickelt (Abb. 1a,b). In den letzten 20 Jahren haben zwei Coronaviren Infektionen mit respiratorischem Syndrom verursacht: SARS-CoV-1 im Jahr 2003 und das Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus (MERS-CoV) im Jahr 20122,3.

a,b, Ungefähre Anzahl infizierter und verstorbener Personen bei ausgedehnten Ausbrüchen (a) und der COVID-19-Pandemie in den letzten Monaten (b). c, Überblick über die mögliche Verbreitung von SARS-CoV-2 über Wasserwege in Industrieländern. Eingeschlossene Ausbrüche wurden durch umhüllte einzelsträngige RNA-Viren verursacht. Sternchen stellen eine bestätigte oder mutmaßliche Verbreitung über das Abwasser dar. Buchstaben neben jeder Pandemie geben spezifische Referenzen an: a125,126; b127; c128; d106,127; e126,129; f130,131; g132; h127; i133,134; j1 (Datenquellen abgerufen am 28. Juli 2020).

SARS-CoV-2 ist hoch ansteckend und verbreitet sich ähnlich wie SARS-CoV-1 durch engen persönlichen Kontakt über Atemtröpfchen oder gegenseitige Wechselwirkungen mit Oberflächen sowie durch Aerosole3,4,5,6. Derzeit ist nicht klar, ob zusätzliche Übertragungswege für die lokale oder globale Ausbreitung dieser Krankheit wichtig sind7,8. Die Untersuchung eines SARS-CoV-1-Ausbruchs in einem Wohnhaus während der Pandemie 2003 ergab, dass sich das Virus über Abwassersysteme verbreiten kann9,10. Es wurde vermutet, dass die SARS-CoV-1-Infektion durch die Einatmung von Aerosolen erfolgte, die durch Toilettenspülung oder fehlerhafte Sanitärsysteme entstehen9,10. Ähnlich wie bei SARS-CoV-1 wurde RNA des neu aufgetretenen SARS-CoV-2 sowohl in Stuhlproben als auch im Abwasser nachgewiesen11,12,13,14. Daher wurde postuliert, dass Abwasser, eine nachhaltige Süßwasserquelle15,16,17, ein indirekter Infektionsweg bei SARS-CoV-Ausbrüchen sein könnte (Abb. 1c)2,13,18,19.

Durch den Eintritt des Virus in die Kanalisation ergeben sich verschiedene mögliche Transportwege (Abb. 1c), die im Zusammenhang mit der fäkal-oralen Übertragung berücksichtigt werden müssen2,18. In Industrieländern wird der Großteil des gesammelten häuslichen Abwassers und der Viruslast in zentralen Kläranlagen (WWTPs) behandelt. Herkömmliche Kläranlagen entfernen die Virionen jedoch im Allgemeinen nicht vollständig und hohe einströmende Viruslasten während Pandemien können zu einer unzureichenden Reduzierung der Viren vor der Einleitung führen20,21,22. Darüber hinaus führt die Süßwasserknappheit dazu, dass immer mehr aufbereitetes Abwasser für verschiedene Zwecke wiederverwendet wird, etwa zur Grundwasseranreicherung, Erholung und Bewässerung von Nahrungspflanzen, wodurch andere potenzielle Wege für die Übertragung von SARS-CoV-2 entstehen. Ein zusätzliches und potenziell schwerwiegendes Gesundheitsrisiko ist die fäkal-orale Übertragung in Ländern mit niedrigem Einkommen, wo Gemeinden mit unzureichender Sanitärinfrastruktur (z. B. offene Abwasserkanäle und direkte Einleitung in die Umwelt) durch unbehandeltes Abwasser oder Fäkalien infiziert werden könnten23,24,25.

Insgesamt ist es von entscheidender Bedeutung, das Potenzial von Abwasser als Übertragungsweg von SARS-CoV-2 zu bewerten. Informationen zum Überleben und zur Verbreitung behüllter Viren im Allgemeinen und von SARS-CoV-2 im Besonderen während der Abwassersammlung, -behandlung und -wiederverwendung sind begrenzt. Hier überprüfen und fassen wir das vorhandene Wissen über die Gesundheitsrisiken sowie die potenzielle Ausbreitung von SARS-CoVs in Wasser-, Wasser-Aerosol- und Wasser-Lebensmittel-Übertragungswegen während einer Pandemie kritisch zusammen, wenn die Wahrscheinlichkeit einer Virusinfektion wesentlich höher ist als bei Nicht-SARS-CoVs. Ausbruchsszenarien. Insbesondere konzentrieren wir uns auf zentralisierte Abwassersysteme, die häufig in Regionen mit mäßiger bis hoher sozioökonomischer Kapazität implementiert werden, einschließlich der Regionen, in denen derzeit die meisten COVID-19-Fälle auftreten. Diese Bedingungen weisen auf einen dringenden Bedarf an Überwachungsprogrammen und Risikobewertungen hin, die auf SARS-CoV-2 im Abwasser zugeschnitten sind und bei der Früherkennung und Eindämmung künftiger Ausbrüche von Viruserkrankungen helfen können.

Viren sind allgegenwärtige Infektionserreger im Nanomaßstab, die als extrazelluläre Partikel zwischen intrazellulären Reproduktionszyklen existieren und bestimmte Wirtszellen infizieren. Viren variieren in ihrer Struktur (von einfachen helikalen Kapsiden bis hin zu komplexen Konstrukten), ihrer Größe (20–300 nm) sowie ihren Replikationsmechanismen (d. h. von der Knospung bis zur Lyse) und der Dauer ihres Lebenszyklus (Minuten bis Stunden). Bei einigen Viren ist das Kapsid von einer Hülle umgeben, die aus einer Lipiddoppelschichtmembran mit eingebetteten Proteinen besteht, die eine entscheidende Rolle für die Bindung an die Wirtszelle spielen. Umhüllte Viren lassen sich häufig leichter inaktivieren als nicht umhüllte Viren, da die Hülle weniger robust gegenüber Umwelteinflüssen und Desinfektionsmitteln ist26. Das virale Genom kann entweder aus DNA oder RNA bestehen, wobei RNA-Viren eine höhere Neigung zu Mutationen aufweisen26.

Coronaviren (CoVs) sind umhüllte, einzelsträngige Positiv-RNA-Viren mit einer Größe von 60 bis 220 nm. Der Name leitet sich von den Spike-Glykoproteinen ab, die die Hülle schmücken und den Virionen eine kronenartige Form verleihen („Corona“ auf Lateinisch) (Abb. 2a,b)3,27. Die Spike-Glykoproteine vermitteln die Rezeptorerkennung und Membranfusion. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass das Spike-Glykoprotein von SARS-CoV-2 die menschlichen Rezeptoren mit einer höheren Affinität bindet als SARS-CoV-1, was zu einem infektiöseren Virion führt28. SARS-CoV-1 und SARS-CoV-2 sind Mitglieder der Linie B der Gattung Betacoronavirus3,27 (Abb. 2c); Diese Viren sind sowohl sehr anpassungsfähig als auch in der Lage, verschiedene menschliche Gewebe zu infizieren. Sie übertragen sich leicht zwischen neuen Wirtsarten und passen sich durch Anhäufung von Punktmutationen und homologer Rekombination an unterschiedliche ökologische Bedingungen an29.

a: Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines negativ gefärbten SARS-CoV-2-Virus, das leicht beschädigt war und eingeschlossene RNA freilegte, wie durch den weißen Pfeil angezeigt. b, Schematische Darstellung der wichtigsten Strukturmerkmale von SARS-CoV-2. c, Phylogenetische Analyse basierend auf den Aminosäuresequenzen der RNA-abhängigen RNA-Polymerase (RdRP) von SARS-CoV-2 und repräsentativen umhüllten und nicht umhüllten Viren.

Obwohl es sich bei SARS-CoVs in erster Linie um Atemwegsviren handelt, kann SARS-CoV-2 den Magen-Darm-Trakt infizieren und sich dort vermehren30,31. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass SARS-CoV-2 (nachgewiesen durch quantitative Reverse-Transkription-Polymerase-Kettenreaktion (RT-qPCR)) über menschliche Ausscheidungen (d. h. Stuhl und Urin) in das Abwassersystem gelangt13,14,32. Die Häufigkeit von Manifestationen gastrointestinaler Erkrankungen, einschließlich Durchfall und Erbrechen, liegt zwischen 2 % und 80 % der bestätigten Patienten12,33,34. Bis zu 67 % der Stuhlproben werden positiv auf SARS-CoV-2-RNA getestet, wobei die Anzahl im Sputum nahezu das Maximum erreicht (108 Kopien ml–1 Stuhl gegenüber 109 Kopien ml–1 Sputum)35,36. Die Ausscheidung von SARS-CoV-2-RNA im Stuhl wurde auch in Fällen ohne gastrointestinale, aber andere Symptome sowie in prä- und asymptomatischen Fällen und bis zu vier Wochen nach Abklingen der Symptome beobachtet34,35,36,37. Interessanterweise ist SARS-CoV-2-RNA häufig im Stuhl vorhanden, nachdem eine Atemwegsinfektion abgeklungen ist und Atemwegsproben negativ sind35,38.

Obwohl es nur wenigen Studien gelungen ist, infektiöses SARS-CoV-2 aus Stuhl- und Urinproben zu isolieren32,39,40, haben viele Studien SARS-CoV-2-RNA in Stuhl und Abwasser nachgewiesen13,14,20,41,42,43. Bisher ist unklar, ob die SARS-CoV-2-RNA im Stuhl aus verschlucktem Sputum oder einer aktiven Replikation im Magen-Darm-Trakt stammt; Letzterer Fall würde die Verbreitung infektiöser Virionen über das Abwasser stark beeinflussen. Eine bioinformatische Modellierungsstudie und eine experimentelle Studie deuteten auf eine Infektion und Replikation von Virionen im Magen-Darm-Trakt hin30,31. Darüber hinaus deutete ein auf Daten der Wuhan-Epidemie basierendes kompartimentelles epidemiologisches Modell darauf hin, dass der fäkal-orale Weg vermutlich für die Übertragung des Virus wichtig ist44. Diese Ergebnisse legen nahe, dass eine Replikation des Virus im Darmtrakt sehr wahrscheinlich ist. Daher ist davon auszugehen, dass das Abwasser eine beträchtliche Anzahl infektiöser Virionen enthält2,13,35,45. Die erfolglose Isolierung von infektiösem SARS-CoV-2 aus Stuhl- und Abwasserproben kann auf die Schwierigkeit zurückzuführen sein, intakte umhüllte Virionen zu isolieren, und nicht auf das Fehlen infektiöser Virionen.

Grauwasser (d. h. Wasser, das aus Waschbecken, Duschen und Abflüssen abfließt; Abb. 1c) wird voraussichtlich kein Hauptübertragungsvehikel von SARS-CoV-2 sein, obwohl es Körperflüssigkeiten wie Speichel und Sputum mit potenziell hohen Viruskonzentrationen enthält35,39. Es ist mit einer geringen Viruskonzentration zu rechnen, da Grauwasser häufig Reinigungsmittel, Seifen und andere Desinfektionsmittel enthält, auf die SARS-CoV-2 empfindlich reagiert5,46.

Der aktuelle Nachweis und die Überwachung von SARS-CoVs im Abwasser lassen sich in drei Kategorien einteilen: (1) qualitative und (2) quantitative molekulare Ansätze sowie (3) In-vitro-Zählungen durch Plaque-bildende Einheiten (PFU). Molekulare Ansätze zielen auf die RNA von SARS-CoVs ab und können Schätzungen über das Vorhandensein und die Häufigkeit von RNA-Kopien (oder Fragmenten) in einer Wasserprobe liefern, messen jedoch nicht die virale Infektiosität18. PFU kann eine quantitative Schätzung infektiöser Virionen ermöglichen, diese Methode ist jedoch langsam und schwierig, da für die In-vitro-Kultivierung ein geeigneter Wirt erforderlich ist18,26. Es ist zu beachten, dass die Empfindlichkeit von Plaque-Assays für den Virusnachweis durch die Zytotoxizität von Toxinen, die häufig in Abwasserproben vorkommen, weiter eingeschränkt werden kann47,48,49. Darüber hinaus müssen die Viruskonzentrationen im Vergleich zum RNA-Nachweis noch höher sein, um infektiöse Virionen zu isolieren (>106 Kopien ml–1)35. Daher ist es nicht überraschend, dass das Abwasser von Krankenhäusern positiv auf SARS-CoVs-RNA getestet wurde, nicht jedoch auf infektiöse Virionen13,35. Es ist jedoch auch möglich, dass die Konzentration infektiöser Virionen im Krankenhausabwasser aufgrund des intensiven Einsatzes von Desinfektionsmitteln und verschiedenen Tensiden unter der Nachweisgrenze lag46,50.

Unabhängig von den verwendeten Methoden ist der Nachweis und die Zählung von SARS-CoVs im Abwasser aufgrund ihrer geringen Häufigkeit nach Verdünnung (101 bis 106 Kopien l–1) im Vergleich zu direkten Tests an menschlichen Ausscheidungen äußerst anspruchsvoll11,14,20,45. Daher ist eine Konzentration der Probe mit hohen Wiederfindungsraten erforderlich51 und vielversprechende Methoden wurden kürzlich überprüft19,52. Intakte Virionen können nach einer Enzymbehandlung auf zellfreiem Substrat konzentriert werden, das mit entsprechenden Rezeptoren beschichtet ist, um gebrochene Virionen zu entfernen53. Anschließend können gebundene Virionen durch RT-qPCR53 quantifiziert werden. Kürzlich wurde gezeigt, dass diese Methode nach speziellen Extraktionsmethoden SARS-CoV-2 im Abwasser erkennen und quantifizieren kann13,45,54. Eine Transkriptomanalyse (RNA) aus Belebtschlamm deckte ein breites Spektrum unkultivierter Bakterienviren auf, die mit anderen molekularen Techniken nicht entdeckt werden konnten55. Obwohl niedrige Viruskonzentrationen verschiedene Konzentrationsansätze erfordern, kann diese Technik zusätzlich zu metagenomischen Viromstudien56 eine neue Vorlage für den Nachweis einzelsträngiger RNA-Viren wie SARS-CoV-2 im Abwasser liefern.

Sowohl die Häufigkeit als auch die virale Infektiosität sind entscheidende Faktoren für die Krankheitsübertragung. Extraktionsprotokolle führen jedoch häufig zu niedrigen Wiederherstellungsraten für intakte Viren (in der Größenordnung von einigen Prozent), da die Lipiddoppelschichtmembran, die das Kapsid umgibt, leicht zerstört wird18,57. Daher müssen andere Ansätze entwickelt werden, um die Infektiosität im Abwasser zu bestimmen. Derzeit ist die minimale Infektionsdosis (MID) von SARS-CoV-2 (d. h. die Anzahl der Viruspartikel, die eine Infektion verursachen) für den Menschen unbekannt19. Die schnelle Ausbreitung der Krankheit lässt jedoch darauf schließen, dass die MID niedrig ist und anderen behüllten Viren ähnelt (Tabelle 1)27,58,59.

Die Überlebenszeitverteilungen von Viren sind oft exponentiell und werden als Halbwertszeit, Anzahl der Protokollentfernungen oder die Zeit, die erforderlich ist, um eine 90-prozentige Inaktivierung zu erreichen, angegeben (T90; Abb. 3). Unter zahlreichen Umweltbedingungen bleiben Virionen von SARS-CoVs und anderen umhüllten Viren mehrere Tage lang infektiös (Abb. 3). Zu den Faktoren, die die Infektiosität von SARS-CoVs in Wasser und Abwasser beeinflussen, gehören Temperatur, organischer Gehalt und pH-Wert der Lösung46,60,61. Wie sich dies auf das Infektionsrisiko auswirkt, ist jedoch noch unbekannt, insbesondere da menschliche Aktivitäten und Wasserexposition je nach Jahreszeit und Region unterschiedlich sind.

Die Überlebenszeit von SARS-CoVs (Quadrate) und anderen umhüllten Viren (Kreise) wird durch die Zeit angenähert, die für eine 90-prozentige Inaktivierung (T90) erforderlich ist. Zu den Wasserproben gehören: entionisiertes und sterilisiertes Leitungswasser (RO + UV-Wasserhahn); Leitungswasser nach der Chlorentfernung (Dechlor-Wasserhahn); phosphatgepufferte Salzlösung (PBS); Seewasser und menschliche Ausscheidungen (Urin und Stuhl); pasteurisiertes (Past.) Abwasser (WW) nach dem Absetzen; Vergangenheit. rohes WW; primäres oder sekundäres Abwasser (Pri., Sek. eff); und roh WW46,57,61,62,64,66,135,136.

Die Temperatur ist eine wichtige Variable für das Überleben von Virionen im Allgemeinen und SARS-CoVs im Besonderen46,60,61. Bei niedrigeren Temperaturen wurde eine längere Retention der SARS-CoVs-Infektiosität beobachtet (z. B. 14 Tage bei 4 °C gegenüber zwei Tagen bei 25 °C im Abwasser)61. Dies impliziert, dass in kalten Jahreszeiten und gemäßigten Klimazonen die Überlebensrate von SARS-CoV-2 in der Umwelt erhöht sein könnte. Temperaturen über 56 °C inaktivieren SARS-CoV-1 und SARS-CoV-2 zuverlässig nach 90 bzw. 30 Minuten, höchstwahrscheinlich aufgrund der Denaturierung von Proteinen und Lipiddoppelschichten46,62,63.

Es wurde berichtet, dass organisches Material bei zunehmender Konzentration die Überlebenszeit von versetzten CoVs in verschiedenen Wasserproben verkürzt (Abb. 3; zum Beispiel zehn Tage im Seewasser gegenüber zwei Tagen im Rohabwasser). Dies kann auf das Vorhandensein von Antagonistenbakterien zurückzuführen sein, die die Viren über extrazelluläre enzymatische Aktivität inaktivieren können57,64,65. Im Gegensatz dazu kann organisches Material im Zusammenhang mit der Abwasserbehandlung unspezifisch an der Hülle von SARS-CoV-Virionen adsorbieren und diese so vor oxidativen Schäden, Chlorierung, ultravioletter (UV) Strahlung und Protozoen- oder Metazoenprädation schützen57,65. Darüber hinaus sind von infizierten Patienten ausgeschiedene Viren häufig bereits mit organischem Material (z. B. Fäkalien und Sputum) verbunden und somit vor einigen Inaktivierungsmechanismen geschützt57,60.

Der pH-Wert des Stuhls hatte einen erheblichen Einfluss auf das Überleben von SARS-CoV-1 und reichte von drei Stunden im leicht sauren Stuhl eines Neugeborenen bis zu vier Tagen im Durchfall-Kot eines Erwachsenen mit einem pH-Wert von bis zu 966. Im Gegensatz dazu hat SARS- CoV-2 in Suspension zeigt nach 60 Minuten über einen weiten pH-Bereich (3–10) keine wesentliche Verringerung des Infektionstiters46.

Abwasser in Regionen mit mäßiger bis hoher sozioökonomischer Kapazität, auf die sich dieser Aufsatz konzentriert, wird größtenteils aus großen kommunalen Gebieten gesammelt. Die Größe der an die Kanalisation angeschlossenen Bevölkerung hat einen direkten Einfluss auf die Konzentration von SARS-CoVs im Abwasser und damit auf das Verbreitungspotenzial. Umfangreiche Abwassersysteme in Großstädten vermischen das Abwasser aus großen Gebieten effektiv, was zu einer recht homogenen Virusverteilung und damit zu einer geringeren Konzentration führt67. Bei größeren Bevölkerungsgruppen besteht jedoch von Natur aus eine höhere Wahrscheinlichkeit der Viruseinschleppung, und COVID-19-Ausbrüche in großen Bevölkerungszentren führen natürlicherweise zu hohen Viruskonzentrationen, die das Übertragungsrisiko erhöhen68,69. Die Überlebenszeit von SARS-CoVs im Abwasser ist ausreichend lang, damit infektiöse Viren Kläranlagen erreichen und über mehrere Übertragungswege weiter verbreitet werden können18,57,61. SARS-CoVs können, ähnlich wie andere mikrobielle Krankheitserreger, bei Sturmereignissen über Leckagen oder Mischwasserüberläufe in natürliche Erholungsgewässer wie Teiche, Flüsse und Seen gelangen18,57. Die hohe Infektiosität von SARS-CoV-2 könnte in solchen Umgebungen zur Übertragung von COVID-19 führen. Ein kompartimentelles epidemiologisches Modell legt nahe, dass kontaminierte natürliche Gewässer zu Umweltreservoirs von SARS-CoVs werden könnten, was die Durchsetzung strenger postepidemischer Maßnahmen zur Verhinderung einer erneuten Infektion erfordern würde44.

Die Überwachung von SARS-CoV-2 mittels Abwasserüberwachung wurde kürzlich als leistungsstarkes Instrument für abwasserbasierte Epidemiologie und Interventionen im Bereich der öffentlichen Gesundheit als Ergänzung zu Einzeltests hervorgehoben11,19,41,45,54,70. Durch das Sammeln von Daten aus zentralen Abwassersystemen zusätzlich zu individuellen Tests können Echtzeitinformationen über die Verbreitung von SARS-CoV-2 in verwandten Gemeinden19,20,70 zu geringeren Kosten im Vergleich zu persönlichen Tests71 bereitgestellt werden. Darüber hinaus können diese Informationen als Frühwarnsignal für COVID-19-Ausbrüche in bestimmten Gemeinden mit prä- und asymptomatisch infizierten Personen verwendet werden14,19,54,72. Diese frühen Anzeichen eines Ausbruchs können erkannt werden, da die Entwicklung der SARS-CoV-2-Konzentration im Abwasser den Veränderungen bei bestätigten COVID-19-Fällen um mindestens mehrere Tage vorausgeht20,54. Die Abwasserüberwachung ist besonders nützlich, um einen frühen Hinweis auf ein Wiederauftreten von SARS-CoV-2 in Gemeinden zu geben, in denen ein erster Ausbruch eingedämmt und anschließend die Eindämmungsmaßnahmen gelockert wurden. Diese Informationen bieten die Möglichkeit, Eindämmungsmaßnahmen wieder einzuführen und Gesundheitsressourcen zuzuweisen, bevor COVID-19-Infektionen in bestimmten Gemeinden stark verbreitet werden. Der Ansatz der Lockerung der Eindämmungsmaßnahmen und der Wiedereröffnung der Wirtschaft unter fortlaufender gemeinschaftlicher Überwachung könnte ein kosteneffizientes Mittel zur Eindämmung der Pandemie sein.

In einkommensschwachen Regionen mangelt es oft an Abwasserentsorgung und es gibt teilweise oder gar keine Abwassersysteme. Über 0,5 Milliarden Menschen praktizieren immer noch die offene Stuhlgangsbehandlung, während weitere 3,5 Milliarden Menschen unsichere Sanitäranlagen nutzen73,74. Diese Umstände können die Übertragung von Viruserkrankungen wie SARS-CoV-2 über den zufälligen fäkal-oralen Weg erleichtern, da Menschen wahrscheinlich mit infiziertem Abfall oder Abwasser in Kontakt kommen75,76. Unsichere sanitäre Anlagen gehen häufig einher mit einer unzureichenden Trinkwasserinfrastruktur (z. B. freigelegte Abwassersysteme, die Süßwasserquellen verunreinigen) und dem Mangel an grundlegenden Hygienediensten wie sauberem Wasser und Seife zum Händewaschen73. Die Ausbreitung der Pandemie in Ländern mit niedrigem Einkommen dürfte durch die hohe Bevölkerungsdichte in den Städten und die begrenzte Umsetzung von COVID-19-Kontrollmaßnahmen weiter beschleunigt werden23,77,78. Darüber hinaus erhöht tropisches und/oder monsunartiges Wetter mit großen Regenwassermengen, die Straßen spülen, die Viruskontamination von Gewässern zusätzlich. Wir betonen, dass die COVID-19-Pandemie wahrscheinlich besonders prekär für die 4 Milliarden Menschen sein wird, die keinen Zugang zu sicheren sanitären Einrichtungen haben, häufig in direkten Kontakt mit fäkalienverseuchtem Wasser kommen und mit kontaminiertem Abwasser bewässerte Pflanzen ernähren23,77. Obwohl diese Infektionswege für andere Viruserkrankungen bestätigt wurden75,76, wurden für COVID-19 bisher keine derartigen Studien gemeldet. Daher ist die Untersuchung des fäkal-oralen Weges von SARS-CoV-2 in Regionen mit niedrigem Einkommen von größter Bedeutung.

Jüngste Hinweise auf SARS-CoV-2-RNA in behandeltem Abwasser20 weisen auf mögliche Risiken im Zusammenhang mit der Wiederverwendung von Abwasser für die Landwirtschaft hin. Die Bewässerung von Obst und Gemüse mit kontaminiertem Abwasser kann als indirekter Übertragungsweg für SARS-CoVs durch die Handhabung oder den Verzehr kontaminierter Lebensmittel dienen79,80. Dies kann insbesondere für Technologien relevant sein, bei denen das Wasser nicht direkt auf den Wurzelbereich aufgebracht wird (z. B. Tropfbewässerung), wie z. B. Oberflächen- oder Sprinklerbewässerung. Obwohl die Übertragung von SARS-CoV-2 durch Lebensmittel nicht dokumentiert wurde, ist bekannt, dass ähnliche Viren nach der Bewässerung mit aufbereitetem Abwasser über Lebensmittel übertragen werden81,82. Rinder-CoV, das SARS-CoVs sehr ähnlich ist, bleibt auf Salatblättern während der gesamten Haltbarkeitsdauer des Salats (mindestens 14 Tage) infektiös81 und menschliches CoV 229E auf Salat ging nach zwei Tagen Lagerung bei nur um 0,2 log zurück 4 °C82. Darüber hinaus werden Virionen durch das Waschen von Produkten nicht vollständig entfernt81. Daher kann insbesondere während eines großen SARS-CoV-Ausbruchs in Gebieten ohne ausreichende Sanitärversorgung die Verbindung der fäkalen, wasser- und lebensmittelbedingten Übertragung durch Bewässerung mit Abwasser ein wichtiger Verbreitungsweg sein. Darüber hinaus entstehen bei der Sprinklerbewässerung mit Abwasser und der Düngung mit Abwasserfeststoffen erhebliche Aerosole. Diese Aerosole verteilen sich häufig auf regionaler Ebene79,80, was besonders für Landarbeiter wichtig und möglicherweise relevant ist, wenn landwirtschaftliche und besiedelte Gebiete relativ nahe beieinander liegen. Die Übertragung von SARS-CoV-2 über Wasser-Lebensmittel- oder Wasser-Aerosol-Pfade während eines Ausbruchs kann durch Desinfektion vor der Wiederverwendung von Abwasser minimiert werden, was die Bedeutung von Standards für eine sichere Abwasserwiederverwendung unterstreicht.

Aerosolisierte Viren können lokal in Gebäuden sowie in größeren Maßstäben durch Winde während der Abwasserbehandlung, aus Freizeitgewässern (z. B. städtischen Flüssen und Teichen), die mit aufbereitetem Abwasser gespeist werden, oder während der Bewässerung und Düngung erzeugt und transportiert werden80,83,84, 85. Die Bildung von Abwasseraerosolen und -tröpfchen wurde als Schlüsselmechanismus für die Übertragung durch Fäkaltröpfchenatmung während des SARS-CoV-1-Ausbruchs bestätigt und wird beim aktuellen SARS-CoV-2-Ausbruch vermutet10,83,86. Es wurde festgestellt, dass aerosolisiertes menschliches CoV (HCoV 229E) bei 25 °C und 50 % Luftfeuchtigkeit bis zu sechs Tage lang infektiös ist, und es wird vermutet, dass es bei 6 °C sogar noch länger infektiös ist87. SARS-CoV-2 bleibt in Aerosolen bis zu 16 Stunden lebensfähig mit einer mittleren Halbwertszeit von etwa einer Stunde88,89. Obwohl die Ausbreitung größerer Tröpfchen begrenzt ist, da sie sich in der Nähe der Quelle ablagern, verursachen größere Tröpfchen aufgrund ihrer erhöhten Fähigkeit, Krankheitserreger zu transportieren, eine lokale Kontamination von Oberflächen und sind ein Hauptvektor für die Übertragung von Krankheitserregern, einschließlich SARS-CoV-286,90.

Kläranlagenbetreiber müssen Standardpraktiken befolgen, um die Exposition gegenüber Abwasser und kontaminierten Oberflächen zu begrenzen und so das Risiko einer Exposition gegenüber Krankheitserregern wie SARS-CoV-219,91 zu verringern. Obwohl über keine Analyse von aerosolisiertem SARS-CoV-2 in Kläranlagen berichtet wurde, könnte die Aerosolbildung während des Behandlungsprozesses ein Risiko für Kläranlagenbetreiber darstellen und die Verbreitung erleichtern, insbesondere bei Kläranlagen in dicht besiedelten Gebieten84,92. Dieser Weg wurde für mehrere enterische Viren und Bakterien beobachtet84,92. Die nicht trinkbare Wiederverwendung von behandeltem Abwasser oder Grauwassersystemen, die Aerosole erzeugen (z. B. Kühltürme und Sprinkler), sowie dekorative Strukturen wie Springbrunnen müssen eine ausreichende Behandlung gewährleisten, um Infektionspfade über Kläranlagen hinaus zu vermeiden.

SARS-CoVs können während eines Ausbruchs aufgrund von undichten Abwasserkanälen oder einer unzureichenden Entfernung nach der Abwasserbehandlung in aquatische Ökosysteme verbreitet werden. Das Austreten von Abwasser aus Klärgruben, Rohrversagen oder das Fehlen einer geeigneten Infrastruktur kann zur direkten Einleitung von SARS-CoVs in aufnehmende Gewässer (z. B. Bäche, Flüsse, Teiche, Flussmündungen, Seen und Grundwasser) führen. Darüber hinaus können gereinigte Abwässer, wie z. B. Sekundärabwässer, die eingeleitet werden, ebenfalls Viren in die Umwelt übertragen20,22. Mit Ausnahme von zwei Studien, in denen über SARS-CoV-2-RNA in einem italienischen und einem japanischen Fluss berichtet wurde, in denen es jedoch nicht gelang, infektiöse Virionen zu isolieren93,94, gab es keinen direkten Nachweis von SARS-CoVs in Gewässern52. Mehrere frühere Studien ergaben jedoch, dass umhüllte Viren beträchtliche Entfernungen zurücklegen und in Gewässern über einen längeren Zeitraum überleben95,96. Darüber hinaus können Regenereignisse die Viruskonzentration in natürlichen Wassersystemen durch Mischwasserüberläufe oder den Ausfall der Abwasserinfrastruktur95,97 erhöhen, was die Wahrscheinlichkeit einer Verbreitung von SARS-CoVs erhöht.

Im Untergrund können Viren aufgrund der sterischen Wechselwirkung ihrer äußeren Spike-Glykoproteine mit dem porösen Medium98,99, insbesondere durch bevorzugte Fließwege und Brüche100, sehr mobil sein. Basierend auf der Größe von SARS-CoV-2 (~100 nm) sowie der relativ langen Überlebenszeit im Wasser (Abb. 3) und auf Oberflächen5,88 könnte SARS-CoV-2 möglicherweise beträchtliche Distanzen im Untergrund zurücklegen zur Kontamination von Grundwasserleitern, die als Süßwasserquellen für Trinkwasserzwecke dienen. Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab jedoch, dass viele Darmviren bei der Infiltration durch eine 30–40 m dicke Vadose-Zone vollständig aus dem Sekundärabwasser entfernt werden, was zu einer Viruszahl von Null in den überwachten Grundwasserbrunnen führt101. Dies deutet darauf hin, dass lange Infiltrationszeiten das Risiko einer Grundwasserkontamination mit Viren, einschließlich SARS-CoV-2101, drastisch verringern.

In Kläranlagen können Virionen potenziell durch physikalische, biologische und chemische Prozesse entfernt werden (Abb. 4). Das Abwasser wird zunächst einer Primärbehandlung unterzogen, bei der die Entfernung von Viren allein durch Sedimentation gering ist102,103. Die sekundäre (biologische) Behandlung kombiniert Belebungsbecken mit sekundärer Sedimentation, um den Belebtschlamm zurückzuhalten. Es wird angenommen, dass die Virussorption an organischen Partikeln und die Entfernung durch Absetzen eine wesentliche Rolle bei diesen sekundären Behandlungsschritten spielen103,104. Behandlungsansätze, die die Rückhaltung und Entfernung von Feststoffen maximieren (z. B. Membranbioreaktoren), wurden als besonders wirksames Mittel zur Entfernung von Viruslasten aus Abwasser vorgeschlagen104,105. Obwohl noch keine spezifischen Daten für SARS-CoV-2 verfügbar sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass umhüllte Viren zusammen mit Partikeln entfernt werden, größer als bei nicht umhüllten Viren57,65. Darüber hinaus inaktivieren extrazelluläre Enzyme wie Hydrolasen und Proteasen, die in den für sekundäre Bioreaktoren charakteristischen konzentrierten Bakterienkonsortien vorhanden sind, wahrscheinlich auch SARS-CoVs, ähnlich wie andere Viren57,104,105.

Die sekundäre biologische Behandlung unterstützt den enzymatischen Abbau (Enz. deg.) von organischem Material (OM), einschließlich Viren. SARS-CoVs, die nicht durch Absetzen entfernt wurden, werden sich wahrscheinlich mit suspendiertem organischem Material ansammeln und im primären und sekundären Abwasser transportiert werden. a,b, Sekundärabwasser kann direkt in Oberflächengewässer eingeleitet werden (a) oder vor der Einleitung desinfiziert werden (b). c,d, Alternativ kann das Sekundärabwasser mit fortgeschrittenen Oxidationsprozessen (AOP) (c) und/oder Filtration über verschiedene Membransysteme wie Ultrafiltration (z. B. in einem Membranbioreaktor, MBR) (d) für Wiederverwendungsanwendungen weiterbehandelt werden .

Die Konzentration von SARS-CoVs im Schlamm kann zu Problemen bei der Schlammbehandlung und -entsorgung führen102. In einer metagenomischen Studie an Schlamm aus Abwasseraufbereitungsprozessen wurde eine große Vielfalt an Viren, einschließlich solcher, die mit Atemwegserkrankungen in Zusammenhang stehen, nachgewiesen106. CoV-Gene wurden in 80 % der unbehandelten Abwasserschlammproben gefunden, und das zweithäufigste RNA-Virus war CoV HKU1106. Daten zum Überleben umhüllter Viren während der Schlammbehandlung sind rar und für SARS-CoVs nicht vorhanden18. Basierend auf dem Schicksal unbehüllter Viren ist die Behandlung von Schlamm durch thermophile Verdauung, Kalkzugabe, Trocknung und Kompostierung für die Inaktivierung von SARS-CoVs am vielversprechendsten102,107. Bei der Düngung mit Schlamm in landwirtschaftlichen Betrieben sollte jedoch weiterhin eine Aerosolkontrolle angewendet werden102,108.

Die Inaktivierung oder Entfernung von SARS-CoVs während der Primär- und Sekundärbehandlung wurde nicht im Detail untersucht. SARS-CoV-2-RNA wurde in behandeltem Abwasser nachgewiesen, wobei die Viren im Vergleich zu Rohabwasser nur um 2 Log entfernt wurden20, in einer anderen Studie wurde jedoch eine vollständige Entfernung nach der Sekundärbehandlung beobachtet14. Diese gemischten Ergebnisse deuten darauf hin, dass, ähnlich wie bei anderen Viren, eine ausreichende Inaktivierung von SARS-CoV-2 nicht gewährleistet ist21,22. In einigen Ländern (z. B. Israel) werden Sekundärabwässer vor der Wiederverwendung oder vor der Einleitung in die Umwelt weiter desinfiziert, um die Verbreitung von Viren zu minimieren (Abb. 4). Dennoch sind Desinfektionsmaßnahmen in vielen Ländern nicht obligatorisch (in den Vereinigten Staaten ist beispielsweise die Wiederverwendung ohne Desinfektion zur Bewässerung von Weinbergen und Feuchtgebieten sowie zur Flussanreicherung erlaubt), was das Potenzial für die Verbreitung von SARS-CoV-2 erhöht. Die Desinfektion von aufbereitetem Abwasser ist derzeit möglicherweise der wichtigste Schritt zur Gewährleistung einer zuverlässigen SARS-CoV-2-Inaktivierung2,18. Obwohl die Mechanismen unklar sind, sind umhüllte Viren wie SARS-CoVs tendenziell anfälliger für Desinfektionsmittel auf Chlorbasis als nicht umhüllte Viren60,109. Obwohl nicht in echtem Abwasser getestet, werden behüllte Viren wie SARS-CoV-2 häufig von organischem Material umhüllt gefunden, das eine physische Barriere gegen die Desinfektion darstellt57,60. Daher ist es wahrscheinlich, dass SARS-CoV-2 in einem komplexen Medium, das reich an organischen Stoffen ist, wie z. B. Sekundärabwasser, weniger empfindlich gegenüber Desinfektionsmitteln wäre. Darüber hinaus werden chemische Desinfektionsmittel durch organische Stoffe und stickstoffhaltige Verbindungen im Sekundärabwasser110 abgefangen, was zu einer geringeren Konzentration an aktivem Chlor führt. Folglich wurden infektiöse Darmviren sogar in desinfizierten Sekundärabwässern nachgewiesen21,22,111. Während eines Pandemieausbruchs, wenn die Viruslast im Rohabwasser höher als normal wäre, kann eine unzureichende Virusentfernung (insbesondere wenn die Desinfektionsmitteldosen nicht erhöht werden) zu einer Virusübertragung durch Wiederverwendung führen.

Viele Industrieländer wenden vor der Wiederverwendung des Abwassers eine Tertiärbehandlung (d. h. eine fortgeschrittene Partikelentfernung und Desinfektion) an. Die Tertiärbehandlung kann Sandfiltration, kontrollierte Grundwasserneubildung, UV-Bestrahlung, fortschrittliche Oxidationsprozesse (AOP) und/oder Membrantechnologien umfassen, um eine verbesserte Entfernung mikrobieller Krankheitserreger sicherzustellen (Abb. 4). Es ist bekannt, dass UV-Bestrahlung bei 254 nm durch Reaktionen mit dem Virusgenom wirksam gegen SARS-CoV-162,112 ist109. Die erforderliche Dosis (eine Funktion der Bestrahlungsstärke und der Zeit) hängt jedoch stark von vielen virus- und medienbezogenen Faktoren (d. h. der Konzentration organischer Stoffe) ab und schwankt stark112. Durch die ozonbasierte Behandlung von Sekundärabwässern werden Viren wirksam durch DNA- oder RNA-Angriff durch Ozon113 oder durch die Bildung freier Radikale114 inaktiviert. Ähnlich wie bei der Chlorierung ist eine erhebliche Abschwächung der Oxidationskapazität durch Hintergrundbestandteile und die Bildung schädlicher Desinfektionsnebenprodukte möglich. Bisher ist die Wirksamkeit dieser Desinfektionsverfahren zur SARS-CoV-2-Inaktivierung unbekannt und es besteht dringender Forschungsbedarf.

Die Niederdruckmembranfiltration, zu der Mikrofiltration (MF) und Ultrafiltration (UF) gehören, ist eine fortschrittliche Technologie zur Abwasseraufbereitung mit dem Potenzial, die Verbreitung von SARS-CoV-2 vollständig zu verhindern. Darüber hinaus könnte die modulare Struktur von Membransystemen die Modernisierung bestehender Kläranlagen erleichtern, um die Abwasserkonzentrationen von SARS-CoV-2 zu reduzieren. Die Entfernung von Virionen durch diese porösen Membranen (d. h. MF > 50 nm und UF 2–50 nm) ist möglich, hängt jedoch stark von der Porengrößenverteilung im Verhältnis zur Größe des Zielvirus ab110,115. Somit sollte SARS-CoV-2 mit einem Durchmesser von ~100 nm zuverlässig durch UF entfernt werden. Abhängig von den Oberflächeneigenschaften sowohl der Membranen als auch der SARS-CoVs (d. h. hydrophobe und geladene Bereiche auf der Hülle) kann die Entfernung von Virionen weiter verbessert werden, was aufgrund elektrostatischer und hydrophober Wechselwirkungen zu einer Entfernung über den Größenausschluss hinaus führen kann104,115. Die Anwendung von UF in Membranbioreaktoren (MBRs) erhöht die Virusentfernung (nicht spezifisch für SARS-CoVs) durch eine Kombination von drei Mechanismen weiter: sterische Entfernung, Adsorption und Inaktivierung während der biologischen Behandlung104,105,115. Folglich haben MBRs im Vergleich zu herkömmlichen Kläranlagen (bis zu 3,6 Log-Entfernung) eine höhere Entfernung von Darmviren gezeigt (bis zu 6,8 Log-Entfernung)115. Obwohl in der Abwasseraufbereitung weniger verbreitet, sollten Hochdruckmembransysteme mit dichteren und festeren Membranen (Porengröße <2 nm), wie z. B. Nanofiltrations- (NF), Umkehrosmose- (RO) und Vorwärtsosmose-Membranen (FO), eine vollständige Entfernung von SARS bewirken -CoVs110.116.

Die Gesundheitsrisiken von COVID-19 durch die Übertragung über das Wasser könnten größer sein als zunächst angenommen, und Abwasser sollte weiter als möglicher Weg für die Übertragung von COVID-19 untersucht werden. Weltweit häufen sich Hinweise auf das Vorhandensein von SARS-CoV-2-RNA in Abwassersystemen. Die große Zahl infizierter Personen in der aktuellen Pandemie könnte zusammen mit der hohen Infektiosität von SARS-CoV-2 eine neue Herausforderung für die Abwasserbehandlung darstellen und erfordert eine künftige Bewertung des Risikos einer Übertragung durch Abwasserwiederverwendung. Es ist zu erwarten, dass diese Risiken in Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte, direkter Exposition gegenüber aerosolisiertem Abwasser sowie in Regionen ohne ausreichende Abwassersammlung, -behandlung und -desinfektion am höchsten sind.

Umfangreiche Untersuchungen zur Häufigkeit des Nachweises des infektiösen SARS-CoV-2 im Abwasser sind dringend erforderlich, um Folgendes zu gewinnen: (1) entscheidende Informationen über die Häufigkeit von Viren im Rohabwasser, im behandelten Abwasser und in der aufnehmenden Umgebung, die zur Generierung von a verwendet werden können quantitative Risikobewertung; (2) Informationen zur Beseitigungseffizienz durch die Abwasseraufbereitungsanlage; (3) Desinfektionsanforderungen entsprechend der Virusbelastung und -übertragung über Kläranlagen, um eine vollständige Entfernung von SARS-CoV-2 zur Wiederverwendung von Abwasser sicherzustellen; und (4) Epidemieüberwachung für politische Entscheidungsträger über den Ausbruch, das Ausmaß und die Prävalenz der COVID-19-Pandemie in der Gemeinschaft.

Um alle identifizierten Risiken der SARS-CoV-2-Übertragung über Wasserwege zu charakterisieren und zu mindern, müssen die folgenden Wissenslücken geschlossen werden: (1) SARS-CoV-2-Konzentrationen im Abwasser werden derzeit durch molekulare Ansätze geschätzt, die virale RNA und nicht infektiöse Virionen quantifizieren. Ob diese Ansätze überwiegend voll funktionsfähige Virionen und nicht virale RNA-Fragmente quantifizieren, muss noch ermittelt werden. (2) Die minimale infektiöse Dosis von SARS-CoV-2 aus Wasser und Aerosolen ist derzeit nicht bekannt. (3) Das Ausmaß der SARS-CoV-2-Verbreitung über Wasserwege ist unklar, ebenso wenig wie die damit verbundene SARS-CoV-2-Belastung von Süßwasserumgebungen und Wasserwiederverwendungssystemen (z. B. für Erholung, Kühlung und Landwirtschaft).

Insgesamt unterstreicht dieser Bericht die dringende Notwendigkeit einer verbesserten Überwachung, Risikobewertung und neuer Risikomanagementstrategien für COVID-19 im Abwasser. Die Entwicklung innovativer Instrumente zur Umweltüberwachung wird den politischen Entscheidungsträgern die notwendigen wissenschaftlichen Erkenntnisse liefern, während optimierte Desinfektionsstrategien die Übertragung von COVID-19 im Zusammenhang mit der Wiederverwendung von Abwasser eindämmen werden. Über COVID-19 hinaus werden diese Ansätze auch die Erkennung, Reaktion und Eindämmung künftiger Ausbrüche von Viruserkrankungen verbessern.

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Korrespondenz mit Anne Bogler oder Edo Bar-Zeev.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 30. April 2020

Angenommen: 05. August 2020

Veröffentlicht: 19. August 2020

Ausgabedatum: Dezember 2020

DOI: https://doi.org/10.1038/s41893-020-00605-2

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