FCHPT začala s monitorovaním odpadových vôd na prítomnosť koronavírusu

Na FCHPT sme ako prví v SR začali s dlhodobým monitorovaním odpadových vôd na prítomnosť koronavírusu. Chceme zistiť, ako sa šíri a či monitoring by sme mohli využiť ako systém varovania pred ohniskami nákazy.

Aj keď žijeme v dobe lockdownov, karantén, pandemických vĺn, výučba aj výskum v spolupráci s našimi študentmi sa nezastavili. Nie je to jednoduché na takej škole akou je naša fakulta, kde podstatnú časť aktivít tvorí prezenčná práca v laboratóriách. Naši študenti sa však aj naďalej zapájajú do rôznych výskumov. Jedným z nich je aj monitorovanie a vyhodnocovanie odpadových vôd.

„Celú pandémiu ochorenia COVID-19 na Slovensku máme zamrazenú v našich mraziacich boxoch,“ hovorí doc. Tomáš Mackuľak z Oddelenia environmentálneho inžinierstva (OEI) FCHPT STU. V laboratóriách tohto oddelenia sú umiestnené vzorky, ktoré obsahujú odpadovú vodu z vyše 30 čistiarní odpadových vôd.

Už počas prvej vlny vzniklo viacero štúdií, ktoré popisovali, že ľudia nakazení novým koronavírusom vylučujú častice vírusu v stolici. Dnes vieme, že to neplatí pre každého, ale pre veľkú časť infikovaných áno. Koronavírus sa v stolici môže objaviť už pred prvými klinickými príznakmi ochorenia.

Tieto poznatky by sa dali využiť pri manažovaní pandémie, lebo zvýšený výskyt koronavírusu v odpadovej vode môže naznačovať v regióne nové ohnisko. Analýza odpadových vôd v princípe umožňuje, aby sa ohnisko odhalilo ešte pred PCR testovaním, ktoré ľudia vyhľadajú, keď majú príznaky.

Začali v Holandsku

Odpadové vody za účelom monitoringu výskytu biomarkerov, spotreby ilegálnych drog alebo rôznych metabolitov v populácii sa vo svete sledujú už viac ako 15 rokov. Ešte dlhšie sa v nich sleduje napr. výskyt poliovírusu, ktorý spôsobuje detskú obrnu. Analýza odpadových vôd preto nepredstavuje žiadnu novinku. Stávajú sa postupne významným doplňujúcim zdrojom informácií popisujúcich do určitej miery napr. zdravotný stav monitorovanej populácie.

„Ako prví našli koronavírus v odpadových vodách Holanďania,“ hovorí doc. Mackuľak z OEI FCHPT a dodáva: „Vytvorili aj www stránku, ktorú v súčasnosti každý týždeň aktualizujú o nové údaje.“

V Holandsku začali monitorovať odpadové vody na prítomnosť nového koronavírusu už vo februári 2020. V meste Amersfoort neďaleko Amsterdamu našli aj prvý prípad nového koronavírusu v odpadovej vode ešte predtým, než sa v marci 2020 oficiálne potvrdil.

V tomto období sa začal monitoring aj na Slovensku, konkrétne na OEI FCHPT, kde sa najprv vypracoval systém monitorovania a následne sa začal systematický zber vzoriek. V analýze a vyhodnocovaní vzoriek sa pokračovalo aj v spolupráci s Katedrou molekulárnej biológie PriF UK, Ůstavom molekulárnej biomedicíny LF UK v Bratislave a epidemiológom Martinom Pavelkom. Doteraz získané poznatky už naši výskumníci publikovali vo viac ako 6 odborných časopisoch z celého sveta (https://www.nature.com/articles/s41598-021-98653-x). Nemenej dôležité ale je, že výskumu sa doteraz zúčastnilo viac ako 5 študentov FCHPT v rámci dizertačných, diplomových a bakalárskych prác a pokračujú v ňom aj v súčasnosti.

Výsledok do 48 hodín

OEI FCHPT získalo na tento monitoring niekoľko projektov. V rámci nich máme dáta z čistiarní odpadových vôd, ktoré pokrývajú vyše 1,2 milióna obyvateľov.

Na prítoku do čistiarní sú automatické vzorkovače, ktoré zabezpečujú 24-hodinovú zlievanú vzorku. Tie každú hodinu odoberajú pomernú časť prítoku, aby sme získali informáciu o kvalite vody za celý deň.

Dôležitým krokom pri analýze častíc koronavírusu v odpadových vodách je správne zakoncentrovanie vzorky. Toto bola jedna z najdôležitejších etáp výskumu. Len pre ilustráciu – z litra odpadovej vody musíme dostať vzorku s objemom menej ako mililiter, v ktorej zostanú všetky častice koronavírusu zakoncentrované.

Na samotnú analýzu naši vedci využili viaceré primery a próby, čo sú krátke úseky genetickej informácie, ktoré sa využívajú pri RT-PCR metóde. „Iné výskumné pracoviská sa zameriavajú zväčša na dva alebo tri gény koronavírusu, no my sme si vybrali až štyri,“ objasnil doc. Mackuľak. Po mesiacoch systematického výskumu sme sa dopracovali k takému poznaniu, že “celkovú analýzu od prípravy vzorky po výsledok je možné zrealizovať do 48 hodín”.

Do výpočtu o množstve vírusových častíc v odpadovej vode sa okrem údajov o počte kópií v zakoncentrovanej vzorke dávajú aj dáta o prietoku odpadovej vody či o počte napojených ľudí na kanalizáciu. Dôležité je však sledovať a vyhodnocovať aj ďalšie fyzikálno – chemické parametre monitorovanej odpadovej vody „Takýmto spôsobom už dnes dokážeme zachytiť náznak vlny,“ dodáva doc. Mackuľak.

V rámci projektov bola vytvorená aj www stránka (www.vir-scan.eu), kde sa dajú zverejňovať aktuálne dáta získavané z monitoringu vybraných miest Slovenska.

Alarm systém

Graf nižšie je ukážkou, ako sa dajú porovnávať trendy a vývoj pozitívnych PCR testov, úmrtí a výsledkov z odpadových vôd. Údaje boli namerané a vypočítané pre reálnu slovenskú čistiareň odpadových  s kapacitou rádovo v stotisícoch napojených obyvateľov.

„Naši matematici zistili, že odpadové vody naznačujú vlnu približne 12 dní pred pozitívnymi PCR testami a 27 dní pred úmrtiami,“ povedal člen tímu a matematik doc. Zdenko Takáč z Ústavu informatizácie, automatizácie a matematiky FCHPT.

Odpadové vody by teda mohli naznačovať, že korona je na vzostupe ešte predtým, než si to všimnú PCR testy. „Predstava je, že odpadové vody by slúžili ako systém včasného varovania či alarm systém, ktorý by nás upozornil: Pozor, niečo sa deje v danom regióne,“ povedal doc. Mackuľak a dodal: „Pri odpadových vodách nemusíme čakať na príznaky ochorenia. Výsledky môžeme mať skôr, čo z odpadových vôd robí zaujímavú metódu schopnú dopĺňať už zabehnuté epidemiologické postupy.“

Doc. Takáč dodáva, že výhodou metódy je aj to, že je neinvazívna, „neobťažuje ľudí a nezaťažuje zdravotníctvo“.

„Nejde o to, že nájdete jedného pozitívneho v konkrétnom meste, ale o to, že zhruba o dva týždne skôr ako PCR testy môžete odhaliť trend, ktorý sa týka nárastu pozitívnych prípadov,“ povedal Peter Podstupka z Bratislavskej vodárenskej spoločnosti, ktorá sa do projektu tiež aktívne zapojila.

Aj sekvenovanie

Technológia nemôže nahradiť existujúce opatrenia, napríklad PCR testovanie, ale môže ich dopĺňať, uvádzajú vedci z FCHPT. Celoštátny monitoring odpadových vôd naráža ale aj na problémy. Napr. to, že pripojenie obyvateľov ku kanalizácii nie je zďaleka úplné. V EÚ sú bežne krajiny, kde sú desiatky percent obyvateľov stále nenapojených na čistiarne odpadových vôd. Aj Slovensko k nim patrí (u nás je ešte stále ca. 30 % obyvateľstva v tejto kategótii). To ale naznamená, že tento výskum nemá zmysel. Vo veľkých  mestách ako je napr. Bratislava je napojenosť skoro úplná.

V niektorých prípadoch môžu problémy s vyhodnotením dát narobiť aj dažďové či priemyselné vody. Pri výpočtoch treba myslieť aj na to, že koronavírus nevypúšťa v stolici každá infikovaná osoba a že ho na druhej strane možno v stolici v niektorých prípadoch vylučovať aj desiatky dní po infekčnom období.

Súčasťou projektov realizovaých na FCHPT je aj sekvenovanie koronavírusu z odpadových vôd, aby zistili, aké mutácie na Slovensku dominujú. Jedna sa o iniciatívu Európskej komisie. Vírus prirodzene mutuje a protipandemické opatrenia na neho vyvíjajú selekčný tlak, ktorý spôsobuje, že sa mení. Na Slovensku napríklad niekoľko mesiacov dominoval tzv. britský variant, ktorý sa ukázal  infekčnejší ako pôvodný variant koronavírusu. Momentálne dominuje delta variant, ktorý vytlačil britský alfa variant a očakávame čoskoro záchyt omikronu.

„Zistili sme aj to, že čistiarne odpadových vôd na Slovensku dokážu z vysokou účinnosťou odstraňovať častice koronavírusu z odpadových vôd“, hovorí doc. Mackuľak a dodáva: „dosiaľ nemáme žiadne dôkazy o tom, že by sa niekto nakazil covidom pri kontakte s odpadovou vodou. V prostredí odpadovej vody sa stáva neaktívny!”

Školy či domovy dôchodcov

Popri čistiarňach odpadových vôd sa výskumníci z FCHPT zameriavajú aj na bodové zdroje, napríklad odpadové vody zo zdravotníckych zariadení, zo škôlok, škôl či domovov dôchodcov.

„Metodika spracovania vzorky sa však musí v niektorých prípadoch upraviť, lebo bodové zdroje odpadových vôd môžu mať odlišné vlastnosti,“ povedal doc. Mackuľak a dodal, že dôležité je aj časové nastavenie tohto vzorkovania. Výsledky by mohla do určitej miery ovplyvňovať aj prítomnosť tuhých nečistôt, no treba to ešte skúmať. „Modelovať treba aj to, ako sa časti vírusu prichytávajú na biofilm či kal prítomný v kanalizačnej sieti“.

Vo všeobecnosti teda platí, že pri analýze koronavírusu v odpadových vodách treba brať do úvahy aj fyzikálne a chemické vlastnosti vody a zároveň aj jej biologické znečistenie. Monitorovanie bodových zdrojov teda vyžaduje úzku spoluprácu s vodárenskými spoločnosťami. Je potrebné naplánovať nie len miesto odberu a časový interval, ale zároveň poznať aj chemické parametre a prietok odpadovej vody. Bez ich ochoty by výskum nebolo možné realizovať. Aj v súčasnosti táto spolupráca prebieha na veľmi intenzívnej úrovni.

Globálny cieľ projektov a výskumu monitorovania koronavírusu v odpadových vodách

Tomuto výskumu sa venuje niekoľko projektov, pričom ich koordinácia je priamo na OEI FCHPT. Hlavným cieľom týchto projektov je vytvorenie online SMART systému včasného varovania, ktorý by detegoval trend a hlavne nárast koncentrácie častíc vírusu v odpadovej vode.

Okrem toho sa projekty zameriavajú aj na vývoj dezinfekčných technológií a na vývoj antivirotických nanovlákien, ktoré by mohli byť využité pri výrobe napr. ochranných oblekov.

Do týchto projektov je zapojených viac ako 100 výskumníkov z domácich aj zahraničných inštitúcií. Čo je ale nemenej dôležité: výskumníkmi sú aj naši študenti z FCHPT; nielen doktorandi, ale viaceré výskumné úlohy už riešia aj inžinierski a bakalárski študenti v rámci záverečných prác, technologických a semestrálnych projektov. Bez ich pomoci by bol počet výsledkov určite nižší. A študenti sa pri tom učia, že výskum je nielen seriózna a systematická práca, ale aj užitočná a hlavne zaujímavá.

Foto: Záber mestskej čistiarne odpadových vôd pri západe slnka – aj na tejto čistiarni výskumníci a ich kolegovia – študenti odoberali vzorky odpadových vôd