Een goede manier om COVID-19-uitbraken te voorspellen? Rioolwater.

Dankzij de pandemie is er meer aandacht voor het analyseren van rioolwater om de verspreiding van ziekteverwekkers te volgen en beter voorbereid te zijn op eventuele uitbraken.

Door Priyanka Runwal
Gepubliceerd 28 jul. 2022 10:29 CEST
Een laborant toont een tube met daarin een rioolwatermonster.

Een laborant toont een tube met daarin een rioolwatermonster. 

Foto door M. Scott Brauer, Redux

CICERO, ILLINOIS 

Even buiten Chicago betreed ik het Westside-gebouw voor primaire zuivering van de Stickney Water Reclamation Plant – een van de grootste waterzuiveringsinstallaties ter wereld – en wordt meteen getroffen door de zware stank. In het fabrieksgebouw van baksteen met zijn zichtbare pijpen, lopende banden en zware machinerie wordt onbehandeld rioolwater – het grootste deel afkomstig van gewone huishoudens – ontdaan van grove materialen als plastic, textiel, metaal en ander afval. 

Naast me luistert operatiemanager Joe Cummings naar een zoemend geluid. ‘Je hoort de pomp nu lopen,’ zegt hij terwijl er om de vijf minuten driekwart liter onbehandeld, troebel en donkergrijs afvalwater via een dun buisje wordt afgetapt. Dit geautomatiseerde systeem vergaart 24 uur per dag monsters van het rioolwater in een jerrycan van twintig liter, waarna biologen van de installatie de inhoud ervan testen op giftige mineralen of bestanddelen die schadelijk zijn voor de microben die worden gebruikt om het rioolwater verder te filteren en te verwerken voordat het wordt geloosd in het Chicago Sanitary and Ship Canal. 

Sinds maart 2020, toen de coronavirus-pandemie begon, hebben wetenschappers zulke monsters van onbehandeld rioolwater gebruikt om te speuren naar fragmenten van het SARS-CoV-2-virus, dat in de uitwerpselen van besmette patiënten aanwezig is, waardoor ze al in een zeer vroeg stadium een uitbraak van het virus kunnen voorspellen. Vier tot zes dagen voordat artsen in een bepaald gebied een plotselinge toename van het aantal besmettingen met een virus waarnemen, neemt de aanwezigheid van dat virus in het rioolwater van dat gebied duidelijk toe. Steden en ziekenhuizen kunnen lopende analyses van het rioolwater dus gebruiken om plaatselijke uitbraken te voorspellen en hun test- en inentingsmaatregelen daarop in te stellen. 

De eerste resultaten van dit soort metingen waren zó succesvol dat de Amerikaanse Centers for Disease Control and Prevention (CDC) in september 2020 een ‘Nationaal Waterzuiveringsbewakingssysteem’ heeft opgezet, waarbij tientallen zuiveringsinstallaties in de hele VS met financiële steun van de overheid de aanwezigheid van het SARS-CoV-2-virus in het rioolwater konden volgen. In februari 2022 werden met de CDC-fondsen inmiddels meetprogramma’s in zo’n vierhonderd installaties in 37 staten gefinancierd, hoewel de dekkingsgraad nog niet algeheel is. De benodigde financiering is tot 2025 veiliggesteld, en volgens CDC-projectleider Amy Kirby wordt ernaar gestreefd om alle vijftig staten te laten meedoen en het vergaren van gegevens uit te breiden met metingen van andere virussen, zoals influenza en norovirussen, de voedselbacterie Escherichia coli, ‘ziekenhuisbacteriën’ die resistent zijn tegen antibiotica en de schimmel Candida auris. 

Volgens Rachel Poretsky, microbieel ecoloog aan de University of Illinois in Chicago, stonden experts op het gebied van de volksgezondheid aanvankelijk sceptisch tegenover het meten van de aanwezigheid van het SARS-CoV-2-virus in rioolwater. Sommigen vreesden dat het genetische materiaal van het coronavirus werd afgebroken door chemicaliën in het rioolwater, terwijl anderen betwijfelden of het wel mogelijk was om DNA-materiaal van verschillende virussen in het rioolwater te sequentiëren. 

Maar Poretsky en andere wetenschappers wisten aan te tonen dat het wél kon. Met behulp van onafhankelijke financiering werkten zij en haar collega’s samen met de Dienst Volksgezondheid van de stad Chicago om de aanwezigheid van het SARS-CoV-2-virus in het rioolwater van Stickney en enkele andere zuiveringsinstallaties in de regio te detecteren en kwantificeren. ‘Toen we konden aantonen dat de metingen van het rioolwater aansloten op wat er in de klinische praktijk zichtbaar was en we daarmee hiaten in onze zorginfrastructuur konden opvullen, begon men wat meer interesse te tonen,’ zegt zij. 

Viroloog Heléne Norder van de Universiteit van Göteborg in Zweden behoort tot de wetenschappers die al jaren pleiten voor meer onderzoek naar het meten van bestanddelen in rioolwater. Dankzij verbeterde moleculaire sequentiëringstechnieken konden wetenschappers eerder al de aanwezigheid van het influenza-A-virus, het rotavirus, het adenovirus, het Aichi-virus en het astrovirus in rioolwater aantonen. Maar volgens Norder was het vaak moeilijk om serieuze aandacht en financiering voor dit soort onderzoek te krijgen. Dat is nu veranderd. 

‘Helaas was er een pandemie voor nodig om mensen te doen beseffen hoe belangrijk en spannend dit onderzoeksgebied is,’ zegt milieuchemicus Arjun Venkatesan van de Stony Brook University in New York. 
Geschiedenis van onderzoek van rioolwater  
Een van de eerste successen bij het detecteren van ziekteverwekkers in rioolwater werd in de negentiende eeuw geboekt in Belfast, Noord-Ierland, waar zich geregeld uitbraken van de levensgevaarlijke buiktyfus voordeden. De ziekte verspreidde zich wanneer mensen voedsel aten of water dronken dat besmet was met de bacterie Salmonella typhi, die aanwezig was in de uitwerpselen van besmette personen. Ook nadat een uitbraak afzwakte, bleef de bacterie aanwezig in de uitwerpselen van mensen met chronische buiktyfus die geen symptomen vertoonden. Maar in de negentiende eeuw was het voor wetenschappers erg moeilijk om aan te tonen dat besmet rioolwater de oorzaak van nieuwe uitbraken was. 

In 1928 paste William James Wilson, professor in de hygiëne en volksgezondheid aan de Queen’s University of Ireland, een nieuwe methode voor het opkweken van bacteriën toe op monsters van rioolwater dat in bezinkingsbekkens in Belfast was geloosd. Hij slaagde erin 21 stammen van S. typhi in deze monsters aan te tonen, waarmee hij een direct bewijs voor de aanwezigheid van de ziekteverwekker in rioolwater had geleverd. 

Zo wist ook James Allan Gray van de Schotse Edinburgh University in 1929 aan te tonen dat de bacterie Salmonella paratyphi, die een minder ernstige vorm van buiktyfus – paratyfus – veroorzaakt, aanwezig was in twintig rioolwatermonsters die in Edinburgh waren genomen. En de Amerikaanse viroloog John Paul van de Yale School of Medicine en zijn collega’s identificeerden het poliovirus in rioolwater door aapjes te besmetten met watermonsters die in 1939 in Charleston, South Carolina, waren genomen, nadat in die stad een ongebruikelijk hoog aantal gevallen van polio was waargenomen. 

In de jaren daarna deden wetenschappers verder onderzoek naar het geregeld meten van bestanddelen in rioolwater als methode om de volksgezondheid in de gaten te houden. In 1988 had zich in Israël in zes jaar tijd geen polio-uitbraak meer voorgedaan toen er plotseling vijftien mensen door het virus verlamd raakten. Uit monsters van het plaatselijke rioolwater bleek dat open riolen de waarschijnlijke oorzaak van de besmetting waren. Sindsdien worden elke maand watermonsters genomen op 25 à 30 locaties in Israël en op de Westelijke Jordaanoever om het poliovirus bijtijds te detecteren, dat wil zeggen voordat er bij patiënten symptomen worden waargenomen. Dankzij het volgsysteem detecteerden de Israëlische zorgautoriteiten in 2013 de ‘stille circulatie’ van het wilde poliovirus in de riolen van het land, wat leidde tot een grootschalige inentingscampagne. In de afgelopen twintig jaar hebben ruim twintig landen de Israëlische aanpak overgenomen.  

Wetenschappers zijn inmiddels in staat om aan de hand van monsters van onbehandeld afvalwater ruim van tevoren uitbraken van andere virussen te spotten. In Göteborg zagen Norder en haar collega’s in 2013 een plotselinge piek in de aanwezigheid van het norovirus, het ‘buikgriepvirus’, in monsters van rioolwater – minstens twee weken voordat de meeste patiënten in ziekenhuizen en verzorgingstehuizen met symptomen werden gediagnosticeerd. Norder en haar team slaagden er ook in om bepaalde stammen van het hepatitis-A-virus in rioolwater aan te tonen voordat er symptomen van besmetting met deze variëteiten bij patiënten werden gemeld. 

In veel landen en regio’s in de wereld werden van oudsher geen systematische metingen van bestanddelen in het rioolwater verricht. Maar door de COVID-19-pandemie komt daar nu misschien verandering in. 
 
Op zoek in het riool naar het SARS-CoV-2-virus 
Begin 2020 bevestigden Chinese wetenschappers de aanwezigheid van genetisch materiaal van het SARS-CoV-2-virus in ontlastingsmonsters van een besmette patiënt. Kort daarna meldden onderzoekers in Nederland dat ze de aanwezigheid van viraal RNA in rioolwater hadden aangetoond.  

In maart 2020 vonden ze in monsters van onbehandeld afvalwater van de Rioolwaterzuiveringsinstallatie Amersfoort RNA-fragmenten van het SARS-CoV-2-virus. Dat was zes dagen voordat de eerste gevallen van COVID-19 in Nederland werden waargenomen. Naarmate meer mensen met het coronavirus besmet raakten, nam ook het aantal RNA-fragmenten in het rioolwater toe. De onderzoekers pleitten ervoor om het rioolwater permanent te onderzoeken op de aanwezigheid en circulatie van het SARS-CoV-2-virus. Dat is vooral van belang wanneer veel mensen slechts milde of helemaal geen symptomen vertonen en er nog geen uitgebreid testprogramma op touw is gezet. 

Rolf Halden, milieu-ingenieur aan de Arizona State University, pikte de resultaten uit Nederland op. Sinds 2018 hadden Halden en zijn collega’s het gebruik van opioïden in de stad Tempe bijgehouden aan de hand van analyses van het rioolwater. Daarbij zette Haldens team de maandelijkse resultaten van hun onderzoek op een online-dashboard. Ze waren van plan om zich vervolgens op het influenzavirus te richten, maar toen de coronavirus-pandemie uitbrak, besloten ze meteen om hun vizier op het SARS-CoV-2-virus te richten. In mei 2020 identificeerde Haldens team een hotspot van besmettingen in Guadalupe, waarvan de bevolking overwegend uit latino’s en Indiaans-Amerikaanse inwoners bestaat. In Guadalupe werden maar weinig mensen op COVID-19 getest, maar dankzij de identificatie van de hotspot konden plaatselijke zorgmedewerkers snel reageren. 

Een soortgelijk succes werd geboekt toen wetenschappers het afvalwater van universiteiten onderzochten op sporen van het SARS-CoV-2-virus. In augustus 2020 detecteerde een team van de University of Arizona genetisch materiaal van het virus in het afvalwater van een studentenhuis, wat meteen leidde tot een testcampagne en de identificatie van twee besmette studenten zonder symptomen, die in quarantaine werden geplaatst. 

In een studie die was gebaseerd op metingen die tussen november 2020 en april 2021 in de stad New York waren verricht, toonden onderzoekers aan dat de toe- en afname van het aantal nieuwe COVID-19-gevallen en de stijgende of dalende aanwezigheid van het virus in watermonsters van de veertien zuiveringsinstallaties in de metropool duidelijk op elkaar aansloten. En in november 2021 vonden onderzoekers bewijzen voor de aanwezigheid van de omikron-variant in het rioolwater van de stad, een paar dagen voordat de eerste gevallen van omikron-besmettingen in ziekenhuizen waren vastgesteld. 

Toen de omikron-variant razendsnel de delta-variant verdrong, maakten zorgautoriteiten opnieuw gebruik van analyses van rioolwater om besluiten te nemen over het staken van bepaalde behandelmethoden. Als voorbeeld noemt milieu-ingenieur Colleen Naughton van de University of California in Merced, die het testen van rioolwater op sporen van SARS-CoV-2 in de hele wereld bijhoudt, de behandeling met twee soorten monoclonale antilichamen, die niet tegen de nieuwe variant bleken te werken. 

Volgens experts kan het analyseren van rioolwater geen vervanging zijn voor uitgebreide testprogramma’s. Ten eerste is het erg lastig om met watermonsters de totale hoeveelheid RNA-materiaal in het rioolwater van een bepaalde bevolkingsgroep vast te stellen. 

‘Het is simpelweg te ingewikkeld om een verband te leggen tussen de hoeveelheid virusmateriaal en het aantal mensen dat mogelijk besmet is,’ zegt Poretsky. Daarvoor zouden de onderzoekers moeten weten hoeveel mensen het virus uitscheiden en hoe lang ze dat doen, en dat verschilt op basis van de heersende variant, het verloop van de infectie en de mate waarin mensen zijn gevaccineerd.  

‘Maar zelfs met deze beperkingen kunnen lopende analyses van rioolwater zeer nuttig zijn,’ zegt Kirby. 
De toekomst van rioolwaterbewaking 
Vandaar ook dat veel experts op dit terrein opgetogen zijn over het feit dat de CDC bereid is om bewakingsprogramma’s voor rioolwater uit te breiden naar andere ziekteverwekkers dan alleen het SARS-CoV-2-virus. De details over de omvang van deze bewakingsprogramma’s moeten nog worden uitgewerkt. 

Veel waterzuiveringsinstallaties nemen tweemaal per week monsters voor het testen op SARS-CoV-2. Die regelmaat is misschien niet nodig voor ziekteverwekkers die niet zo snel muteren als het coronavirus. Bovendien zijn sommige ziekten seizoensgebonden en hoeven dus niet het hele jaar door in de gaten te worden gehouden, terwijl andere ziekteverwekkers in sommige regio’s een grotere rol spelen dan in andere. 

Er zijn wetenschappers die een algehele aanpak aanbevelen, waarbij wordt gekeken naar het hele scala van virussen in de riolen van stedelijke centra in de wereld. Om virussen te identificeren die kenmerkend zijn voor een bepaalde regio, zou zo’n volgsysteem zeker moeten inhouden dat er over een periode van vele jaren telkens monsters op dezelfde locaties worden genomen, zodat er kan worden ingegrepen als er in de meetgegevens plotseling iets verschuift. 

‘Afhankelijk van de vraag hoe vaak bepaalde mutaties of virussen in watermonsters opduiken, vergeleken met de wereldwijde verspreiding ervan, zouden we plaatselijke afwijkingen kunnen opsporen,’ zegt Marion Koopmans, viroloog van het Erasmus Medisch Centrum in Rotterdam. Maar de instrumenten om onbekende virussen meteen te herkennen zijn gewoon nog niet beschikbaar, zegt zij. Ook is het een uitdaging om in het geval van nieuwe ziekteverwekkers onderscheid te maken tussen enerzijds menselijke virussen en anderzijds dierlijke en plantaardige virussen. 

Afgezien van de technologische obstakels roept het analyseren van rioolwater ook vragen op over ethiek en privacy, vooral als een systeem voor rioolwaterbewaking zeer plaatselijk wordt ingezet in plaats van op de schaal van de bevolking in het algemeen. ‘Het is een beetje alsof je de vuilnisbak van de buren doorspit,’ zegt Venkatesan. 

Door het volgen van de aanwezigheid van een ziekteverwekker of bepaalde drugs in het rioolwater kunnen niet alleen ernstige uitbraken worden voorzien, maar kunnen deze bestanddelen ook herleid worden tot één bepaald persoon of één bepaalde wijk, wat zeker tot stigmatisering zou leiden. Het inzetten van zulke volgsystemen zonder overleg met de plaatselijke bevolking zou het vertrouwen in de overheid kunnen ondermijnen. ‘Als het om de klinische praktijk gaat, hebben we allerlei ethische standaards,’ zegt Kirby, ‘maar voor het vergaren van milieumonsters zijn die standaards er niet.’ 

Deze kwestie is vooral van belang nu er wordt overwogen om monsters uit het milieu te archiveren, zodat er bij een uitbraak teruggekeken kan worden naar het moment waarop de ziekteverwekker in kwestie voor het eerst is opgedoken. 

Intussen blijven wetenschappers bestanddelen in het rioolwater meten en volgen. Toen onlangs het aantal gevallen van apenpokken in de VS toenam, begon Poretsky ook naar sporen van dit virus in het rioolwater van de regio Chicago te speuren. ‘We hebben nog geen beeld van de verspreiding van dit virus en we weten nog niet hoelang het aanwezig is geweest voordat we de eerste gevallen in ziekenhuizen opmerkten,’ zegt zij. Maar het rioolwater kan daarover mogelijk meer vertellen. 

 
Noot van de redactie: dit artikel is geactualiseerd met de juiste geografische gegevens over de locatie waar Rachel Poretsky onderzoek doet naar de aanwezigheid van het apenpokkenvirus in afvalwater.  

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op nationalgeographic.com 

Lees meer

Dit vindt u misschien ook interessant

Wetenschap
Is de COVID-19-pandemie voorbij?
Wetenschap
Antwoord op zes grote vragen over de nieuwe boosters tegen de omikronvariant
Wetenschap
COVID-19 eiste unieke tol van ongedocumenteerde immigranten
Wetenschap
Waarom het risicovol is verschillende keren COVID-19 te krijgen
Wetenschap
Kan deze negentiende-eeuwse medische praktijk helpen bij long covid?

Ontdek Nat Geo

  • Dieren
  • Milieu
  • Geschiedenis en Cultuur
  • Wetenschap
  • Reizen
  • Fotografie
  • Ruimte
  • Video

Over ons

Abonnement

  • Abonneren
  • Schrijf je in
  • Shop
  • Disney+

Volg ons

Copyright © 1996-2015 National Geographic Society. Copyright © 2015-2021 National Geographic Partners, LLC. Alle rechten voorbehouden.