Odpadové vody – možný zdroj informácií o výskyte a trendoch šírenia sa ochorenia COVID-19 v populácii?

K dnešnému dňu bolo vyslovených viacero predpokladov a myšlienok, ktoré smerujú k možnosti využitia monitoringu odpadových vôd aj za účelom včasného odhalenia napríklad možných ohnísk ochorení podobných COVID-19 v určitej oblasti alebo populácii. Súčasné poznatky poukazujú na možnosť detekcie vírusu SARS‑CoV-2 z exkrementov v odpadových vodách pomocou RT-PCR techník. Dôležitým krokom je však kvantifikácia vírusu v odpadovej vode. Aby bola metodika monitoringu čo najpresnejšia, vírus alebo jeho fragmenty sa musia dobre šíriť odpadovou vodou a určitý čas v nej nepodliehať rozkladu. V prípade vírusu SARS-CoV-2 sa v súčasnosti zameriavame na špecifické fragmenty RNA. Taktiež je potrebné poznať mieru uvoľňovania vírusu počas infekcie z ľudského tela. Včasnú detekciu ohnísk nákazy je tak možné zaznamenať najmä na základe zmeny jeho výskytu v čase v kombinácii s parametrami charakterizujúcimi skúmanú populáciu a dôsledným zadefinovaním miesta odberov v kanalizačnej sieti.

Úvod

Myšlienka merania spotreby ilegálnych drog na základe analýz odpadových vôd bola vyslovená Daughtonom a Ternesom už v roku 1999 [1]. Vývoj nových metodík a pokroky v oblasti analytickej chémie viedli postupne k tomu, že sa začal v odborných kruhoch udomácňovať pojem ,,sewage epidemiology“, teda epidemiológia odpadových vôd. Zuccato svojou štúdiou v roku 2005 poukázal na možnosť analyzovania ilegálnych drog v odpadových vodách a následne aj v životnom prostredí, čím prvýkrát uviedol hypotézu Daughtona a Ternesa reálne do praxe [2]. Postupne zistil, že na základe analýzy dominantného metabolitu drogy je možné odhadnúť počet použitých dávok vo vybranej odkanalizovanej lokalite. Po 15 rokoch je možné skonštatovať, že sa táto vedná oblasť neustále vyvíja a napreduje. Svedčia o tom aj štúdie z roku 2019 a 2020, ktoré popisujú možnosti monitorovania rôznych skupín biomarkerov endogénneho ľudského metabolizmu, nových typov drog a psychoaktívnych látok (NPS), problematiku kontaminácie potravín a pitných vôd pesticídmi a mykotoxínmi, či možnosti identifikácie génov rezistencie na vybrané antibiotikum v sledovanej populácii [3–7]. Napríklad na základe kvantitatívneho merania špecifických biomarkerov v odpadových vodách z rôznych regiónov a miest môžeme následne hodnotiť životný štýl určitej populácie, výskyt niektorých typov chorôb, ako aj negatívny či pozitívny vplyv životného prostredia na jej zdravie [8]. Je však potrebné poznamenať, že monitoring zdravia vymedzenej populácie v určitých regiónoch nemusí byť vždy vítaný. Môže totiž poukázať na environmentálne znečistenie v danej oblasti a jeho následný dopad na región či určitú populáciu, čo môže mať v konečnom dôsledku vplyv napríklad na turizmus, trh s nehnuteľnosťami a podobne.

V súčasnosti je bežné, že vo viacerých krajinách EÚ prebiehajú každoročne analýzy ilegálnych drog (napr. Taliansko, Švajčiarsko, Anglicko, Francúzsko, Nórsko, Belgicko, Fínsko, Švédsko, Česká republika, Poľsko, Rakúsko, Slovensko) [9–12]. Dá sa povedať, že rozvoj monitoringu odpadových vôd je spôsobený najmä vďaka výskumným aktivitám prebiehajúcim v Európe. V roku 2013 vznikol pod záštitou Rámcového programu EÚ Horizon 2020 projekt COST ES1307, združujúci viacerých odborníkov z oblasti epidemiológie a analýzy drog a liečiv v odpadových vodách. Asociácia COST zastrešuje v súčasnosti 36 členských krajín a jej úlohou je koordinovať výskum v Európe a napomáhať napríklad Európskemu monitorovaciemu centru pre drogy a drogovú závislosť (EMCDDA) s monitorovaním nezákonného narábania s omamnými látkami [13, 14].

Koronavírus SARS-CoV-2 a odpadové vody

Vírusy, aj keď máme čoraz pokročilejší zdravotný systém, môžu spôsobovať širokú škálu zdravotných problémov v populácii, pričom vyvolávajú značné obavy kvôli ich schopnosti mutovať a byť odolnými často voči rôznym dezinfekčným postupom [15]. Množstvo vírusov spôsobuje človeku ťažké až smrteľné ochorenia. Príkladom sú najmä hemoragické horúčky vyvolané vírusmi ako Ebola alebo Marburg s úmrtnosťou nad 60 %, či ochorenie nazývané Besnota, ktorého pôvodcom je RNA vírus z rodu Lyssavirus (úmrtnosť, ak sa prejavia príznaky ochorenia, je nad 99,9 %) [16, 17]. Niektoré rýchlo sa šíriace sezónne vírusy môžu okrem zvýšených nákladov na zdravotnú starostlivosť napáchať aj značné ekonomické škody v podobe zníženej produktivity práce atď. Príkladom môžu byť genetické mutácie vírusu chrípky, ktoré spôsobili viaceré epidémie či pandémie. V podstatne menšom rozsahu bolo možné pozorovať lokálne epidémie u koronavírusov MERS-CoV a SARS-CoV [18]. Koronavírus SARS-CoV-2 začiatkom roku 2020 však vyvolal celosvetovú pandémiu ochorenia COVID-19, ktorá výrazne zasiahne do ekonomiky prakticky všetkých krajín sveta [19].

Štúdia Holbrook a kol. (2020) ukazuje, že vírus SARS-CoV-2 je možné určitý čas identifikovať na rôznych povrchoch, a teda pri omytí kontaminovaných predmetov sa môžu aj týmto spôsobom vírusy dostávať až do odpadovej vody (vírus SARS-CoV-2 je možné identifikovať na plastoch a oceli aj po 72 hodinách, na papieri po 24 hodinách, na medi po štyroch hodinách a v aerosólových časticiach po 3 hodinách) [20]. Taktiež bolo zistené, že približne 2 – 10 % prípadov pozitívnych na ochorenie COVID-19 malo hnačku [21–23], pričom RNA vírus bol identifikovaná v stolici [22, 23]. WHO v súčasnosti neeviduje žiadny prenos ochorenia COVID-19 fekálnou a orálnou cestou [23]. Štúdia publikovaná autormi Yeo a kol. (2020) potvrdzuje možný prenos vírusu SARS-CoV-2 oro-fekálnou cestou [24]. Štúdia publikovaná autormi Medema a kol. (2020) poukazuje okrem iného aj na možnosť detekcie vírusu v odpadových vodách pomocou RT‑PCR analýzy. Autori štúdie sa pri identifikácii vírusu zamerali na detekciu troch fragmentov génu (N1-3) nukleokapsidového proteínu, ako aj jedného fragmentu génu (E) obalového proteínu ako dôkazu prítomnosti vírusu. Toto zistenie je dôležité a naznačuje, že monitoring odpadových vôd by mohol byť do budúcna citlivým nástrojom na sledovanie výskytu vírusu SARS‑CoV-2 v populácii [25]. Li a kol. (2020) poukazuje vo svojej štúdii, že až 86 % jedincov infikovaných vírusom je asymptomatických, a teda monitoring odpadových vôd by mohol byť jedným z dôležitých ukazovateľov prevalencie ochorenia v meste alebo regióne [26]. Odpadové vody zo zdravotníckych zariadení (najmä nemocnice s koncentrovanejším výskytom pacientov s ochorením COVID-19) môžu mať v produkovanej odpadovej vode zvýšený výskyt tohto vírusu.

Odpadové vody – možný zdroj informácií šírenia sa ochorenia COVID-19 v populácii?

Veľkosť vírusov (v desiatkach či stovkách nanometrov) im dovoľuje sa ľahko transportovať v rôznych zložkách životného prostredia (často sú nasorbované na malých časticiach) [15]. Výskyt určitých typov vírusov v odpadových vodách môže počas roka výrazne kolísať. Napr. štúdia Katayama a kol. (2008) zdôrazňuje, že výskyt norovírusov v odpadových vodách je najvýraznejší v mesiacoch november až apríl, zatiaľ čo koncentráciu adenovírusov je možné brať za konštantnú celý rok [27]. Ako bolo už popísané, niektoré skupiny patogénnych vírusov napr. norovírusy alebo enterovírusy sú sezónne, avšak počas celého roka sa môžu zachytiť v nárastových biofilmoch na stenách potrubí. Biofilm tak môže prispievať k ich výskytu a šíreniu v odpadových vodách celoročne [28].

Vznik infekčných ohnísk, lokálnych epidémií či celosvetových pandémií nie je možné dobre predpovedať. Tu sa ukazuje ako naše výrazne zraniteľné miesto nedostatočná možnosť včas reagovať. Je to spôsobené zabehnutými postupmi klasickej epidemiológie, ktorá identifikuje prepuknutie daného ochorenia až na základe určitých klinických prejavov [15]. V súčasnosti je preto pred technológmi a vedcami z oblasti monitoringu odpadových vôd výzva zameraná primárne na možnú detekciu a popísanie trendov ochorení spôsobených napríklad koronavírusom SARS-CoV-2. Na základe rôznych štúdií je predpoklad, že sa aktívny vírus SARS-CoV-2 alebo jeho rozkladné fragmenty môžu dostávať v exkrementoch pacientov až do odpadových vôd [22, 24, 25]. Pokiaľ aj ďalšie štúdie z iných miest sveta potvrdia možnú detekciu vírusu z odpadových vôd, môže táto metodika oveľa rýchlejšie a lacnejšie zachytiť vlnu šíriacej sa infekcie, respektíve jej možný návrat, ako za pomoci testovania symptomatických jedincov. Pre potreby monitoringu vírusov v odpadových vodách sú potrebné dáta popisujúce ich kvantitu, ktoré je možné získať pomocou kvantitatívnej polymerázovej reťazovej reakcie (označuje sa qPCR alebo RT-PCR) z dôvodu, že práve nárast koncentrácie vírusov naznačuje možný začiatok prepuknutia choroby [15].

Monitorovanie časových zmien výskytu vírusov v odpadových vodách v kombinácii s analýzou vybraných metabolitov a biomarkerov (kreatinín, cholesterol, amoniakálny dusík a iné) v komunálnej odpadovej vode [15, 29, 30, 31] alebo analýzou aktívnych sim-kariet [32], môže viesť až k popisu lokalít, kde vznikajú ohniská. Okrem toho dôsledne vybrané miesta odberov vzoriek z kanalizačného systému môžu umožniť zadefinovanie lokalít či regiónov, odkiaľ sa môže začať šírenie ochorenia (tzv. bodové ohniská) [15].

Pri monitoringu vírusov z odpadových vôd môžeme, podobne ako pri sledovaní spotreby napríklad ilegálnych drog, narážať na niektoré prekážky a nedostatky [33]. Ide opäť o analytickú náročnosť samotného stanovenia hľadaných vírusov, možnú nejednotnosť prebiehajúcich vzorkovaní a následných analýz, ktorá si vyžaduje určité investičné a prevádzkové náklady. Monitoring môže komplikovať aj vysoký podiel balastných a odpadových vôd zo zdravotníckych zariadení. Je potrebné zistiť, či monitoring vírusov môžu do určitej miery ovplyvňovať napríklad faktory ako zloženie mikrobiálneho spoločenstva v monitorovanej kanalizácii, chemické znečistenie, typ kanalizácie, doba zdržania vody v stokovej sieti (vírus, pokiaľ je vylučovaný infikovaným jedincom do odpadovej vody v jeho exkrementoch, je možné detegovať len obmedzený čas), hodnota pH, teplota atď. [15].

Aby bol monitoring určitých ochorení založený na analýze odpadových vôd úspešný vo väčšom geografickom meradle, ako len na národnej úrovni, je potrebné, aby si najmä štátne inštitúcie jednotlivých krajín uvedomili možný prínos tejto monitorovacej metódy v súvislosti napr. s kontrolou šírenia ochorenia Covid-19 [33]. Národné grantové agentúry by mali poskytovať zvýšenú podporu a rozvoj rôznych kapacít najmä formou grantov spojených s monitorovaním odpadových vôd na čistiarňach. Je však potrebné si uvedomiť, že monitorovanie stavu a trendov šíriaceho sa ochorenia COVID-19 si bude vyžadovať oproti existujúcim a zabehnutým postupom a metódam, aplikovaných pri monitorovaní napríklad spotreby drog, viaceré modifikácie či zmeny [33]. Pozitívom, najmä v Európe, je skutočnosť, že je už vybudovaná sieť vedeckých inštitúcií a pracovísk vo viacerých štátoch v rámci monitoringu ilegálnych drog (pravidelne sa publikujú nadnárodné štúdie popisujúce najmä problematiku výskytu a spotreby drog) [9–11], ktoré by bolo možné využiť aj za účelom vytvorenia systému včasného varovania pred nastupujúcou pandémiou.

V súčasnosti začal intenzívne prebiehať výskum v tejto oblasti vo viacerých krajinách Európy (napr. Holandsko, Švédsko, Švajčiarsko, ale aj Slovensko) a USA, čo viedlo k vytvoreniu platformy „Wastewater-Based Epidemiology for COVID-19“ určenej na rýchlu komunikáciu odborníkov zaoberajúcich sa problematikou výskytu vírusu SARS-CoV-2 v odpadových vodách [34]. Dá sa predpokladať, že do monitoringu odpadových vôd postupne začnú vo väčšej miere zasahovať aj iné vedné odbory, ako mikrosenzorika a postupná automatizácia zberu dát. Je teda potrebné si preto počkať, čo nám čas (a odpadová voda) v tomto novom odvetví monitoringu odpadových vôd prinesie.

Schéma na obr. 1 predpokladá možnosť využitia monitoringu vôd ako jedného zo zdrojov informácií ohľadne výskytu a trendov šírenia sa ochorenia COVID-19 v populácii.

Obr. 1. Možnosť využitia monitoringu vôd ako jedného zo zdrojov informácii šíreniu ochorenia COVID-19 v populácii

Záver

V súčasnosti sa vedecké tímy z viacerých krajín sveta, či už na národnej alebo nadnárodnej úrovni, venujú monitoringu odpadových vôd za účelom zistenia spotreby drog [9–11]. Výskum v tejto oblasti sa realizuje okolo pätnásť rokov, čoho výsledkom je vývoj nových analytických postupov, možnosť monitoringu nových typov drog, či kvantitatívne meranie špecifických biomarkerov v odpadových vodách z rôznych regiónov a miest, čo nám umožňuje hodnotiť napríklad životný štýl populácie [31].

Vynára sa preto dôležitá otázka, či v súčasnej situácii okolo pandémie COVID-19 vyvolanej koronavírusom SARS-CoV-2 je možné všetky získané vedomosti a skúsenosti využiť pri identifikácii ohnísk nákazy určitým typom vírusu? Odpoveď v tejto chvíli však nevieme.

V súčasnosti bolo vyslovených viacero predpokladov a myšlienok [15, 33], ktoré je však potrebné potvrdiť štúdiami, aby monitoring odpadových vôd, za účelom včasného odhalenia možných ohnísk ochorení podobných COVID-19 v populácii, bol overenou a v širokých vedeckých kruhoch uznávanou detekčnou metodikou. Súčasné poznatky poukazujú na možnosť napr. detekcie vírusu SARS-CoV-2 z exkrementov v odpadových vodách pomocou RT-PCR techník. Dôležitým krokom je však kvantifikácia vírusu v odpadovej vode. Aby bola metodika čo najpresnejšia, vírus a jeho fragmenty sa musia dobre šíriť odpadovou vodou a určitý čas v nej nepodliehať rozkladu. Taktiež je potrebné poznať mieru uvoľňovania vírusu počas infekcie z ľudského tela (niektoré vírusy, ktoré sa vedia dobre šíriť vodou, sa uvoľňujú z ľudského tela v množstve od 10²/g do 10¹²/g exkrementu) [15]. Woelfel pozoroval výskyt RNA vírusu u ôsmych rôznych pacientov a zistil, že u jedného pacienta môže hodnota RNA kópií počas vrcholu infekcie dosiahnuť 10⁸ na gram exkrementu [35]. Včasnú detekciu ohnísk nákazy je tak možné zaznamenať najmä na základe zmeny jeho výskytu v čase v kombinácii s parametrami charakterizujúcimi skúmanú populáciu a dôsledným zadefinovaním miesta odberov v kanalizačnej sieti.

Poďakovanie: Autori ďakujú projektom APVV-APVV-17-0119, APVV16-0171, APVV-16-0124, APVV-17-0183, APVV-19-0250. Autori ďalej ďakujú STU za finančnú podporu v rámci Grantovej schémy na podporu mladých výskumníkov: Mikroplasty – riziko pre životné prostredie na Slovensku, a v rámci Grantovej schémy na podporu excelentných tímov mladých výskumníkov: „Mikroplasty vo vodách Slovenska – monitoring a možnosti použitia inovatívnych postupov na ich odstránenie“ a „Zdravotnícke zariadenia a hudobné festivaly ako bodové zdroje mikropolutantov v povrchových vodách a možnosti ich účinného odstraňovania“.

Literatúra/References

https://cs.wikipedia.org/wiki/SARS#/media/Soubor:Infectious_bronchitis_virus.png [online 7. 4. 2020].

doc. Ing. Tomáš Mackuľak, PhD.
Oddelenie environmentálneho inžinierstva
ÚCHEI FCHPT STU
Radlinského 9
812 37 Bratislava
tomas.mackulak()stuba.sk