Delineating the transmission and evolution of SARS-CoV-2 through genomic analysis as a platform for wastewater-based epidemiology
Date
2024-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: This dissertation explored the application of wastewater-based epidemiology (WBE) as a valuable
tool for public health decision-making. The research examined multiple aspects of WBE to determine
its suitability and adaptability for use in low- and middle-income countries (LMICs), including
method standardisation for SARS-CoV-2 surveillance, employing WBE for tracking spatiotemporal
trends of SARS-CoV-2, and investigating different normalisation techniques. The study further
utilised WBE as an early warning system in closed communities such as university residences,
monitoring pharmaceutical usage as a predictive indicator for disease outbreaks in communities, and
extending the use of the established methodology to address other viral threats such as rotavirus.
Therefore, this dissertation established that composite samples yielded the most reliable results,
providing higher viral loads and facilitating efficient spatiotemporal assessments. Additionally,
the Qiagen RNeasy PowerSoil Total RNA Kit was recognised as a consistent and time-efficient method
for extracting RNA. Subsequently, WBE was employed to monitor the spatiotemporal trends of
SARS-CoV-2 in wastewater from specific communities, utilising physicochemical parameters for
population normalisation. The wastewater data provided valuable insights into the prevalence of
SARS-CoV-2 in these communities, with the peak viral load correlating with an increase in reported
positive COVID-19 cases. In light of these results, WBE can be used as a complementary surveillance
tool to evaluate the efficacy of targeted interventions within high-risk communities.
The research also demonstrated the significance of wastewater surveillance in student residences
for the early detection of SARS-CoV-2 on campus, leading to informed decision-making by university
management, which helped to mitigate the impact of potential superspreader events. Furthermore, WBE
was used to detect acetaminophen concentrations in wastewater and to establish correlations with
COVID- 19 cases and the prevalence of SARS-CoV-2 in communities through wastewater analysis. An
increase in acetaminophen levels in wastewater was observed ahead of reported rises in clinical
cases, particularly
during the delta variant-driven wave, indicating that pharmaceuticals can be used as an early
warning predictor of disease outbreaks. This underscores the use of WBE in monitoring
pharmaceutical usage and offering insights into overall population health for informed public
health decision-making.
Lastly, WBE was implemented to monitor rotavirus prevalence, revealing that rotavirus persisted
throughout the year, with higher viral loads in 2022, particularly in densely populated areas. The
research demonstrated the effectiveness of WBE as an invaluable community-wide surveillance tool
and an early warning system for detecting pathogens such as rotavirus, supporting targeted
interventions in high-risk communities. In summary, this dissertation showcases the adaptability
and effectiveness of WBE in monitoring a range of pathogens, providing invaluable data for
informing public health decisions to
effectively manage disease outbreaks.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie het die toepassing van afvalwatergebaseerde epidemiologie (ABE) as 'n waardevolle hulpmiddel vir openbare gesondheidsbesluitneming ondersoek, veral in die konteks van die monitering van ernstige akute respiratoriese sindroom koronavirus 2 (EARS-KoV-2), van ander patogene soos rotavirus, en van farmaseutiese middele as vroeë waarskuwingsvoorspellers in afvalwater. Die navorsing het verskeie aspekte van ABE ondersoek om die geskiktheid en aanpasbaarheid daarvan vir gebruik in lae- en medium- inkomstelande (LMILe) te bepaal. Meer spesifiek, die aspekte van ABE wat ontleed was was die standaardisering van ‘n metode vir EARS-KoV-2 monitering, die gebruik van ABE vir die ontleding van verspreidingspatrone van EARS-KoV-2 tussen areas en oor tyd, die ondersoek van verskillende normaliseringstegnieke, die gebruik van ABE as 'n vroeë waarskuwingstelsel in geslote gemeenskappe soos universiteitskoshuise, die monitering van die gebruik van farmaseutiese middele as 'n voorspellende aanwyser vir siekte-uitbrake in gemeenskappe en die uitbreiding van die gevestigde metodologie om die aanwesigheid van ander virale patogene soos rotavirus in afvalwater te ondersoek. Hierdie studie het vasgestel dat saamgestelde monsters die mees betroubare resultate gelewer het in terme van hoër gemete virale ladings en die fasilitering van meer betroubare tydruimtelike assesserings. Dit was ook bepaal dat die Qiagen RNeasy PowerSoil Total RNA Kit die mees tyddoeltreffende metode was om RNS te onttrek en het die mees konsekwente resultate gelewer. Daaropvolgend is ABE aangewend om die ruimtelike-temporele verspreidingspatrone van EARS-KoV-2 in afvalwater van spesifieke gemeenskappe te monitor deur gebruik te maak van fisiese-chemiese parameters vir bevolkingsnormalisering. Die analiese van afvalwater het waardevolle insigte gelewer oor die aanwesigheid van EARS-KoV-2 in hierdie gemeenskappe en het aangedui dat daar ‘n ooreenkoms was tussen die virale ladings in afvalwater en die gerapporteerde kliniese COVID-19 gevalle wanner infeksie getalle gestyg het. Gebasseer op die bevindinge word dit aanbeveel dat ABE gebruik word as 'n aanvullende metode om die implementering van spesifieke ingrypingsmaatreëls binne hoërisiko-gemeenskappe te evalueer. Die navorsing het ook die belangrikheid van afvalwater monitering in studentekoshuise getoon vir die vroeë identifisering van die teenwoordigheid van EARS-KoV-2 op kampus, wat gelei het tot ingeligte besluitneming deur universiteitsbestuur en wat gehelp het om die impak van potensiële superverspreider byeenkomste te beperk. Verder is ABE ook gebruik om die konsentrasie van parasetamol in afvalwater te bepaal en om die potensiële ooreenkoms daarvan met COVID-19 gevalle en die teenwoordigheid van EARS-KoV-2 in gemeenskappe vas te stel deur middel van afvalwateranaliese. 'n Toename in parasetamol vlakke in afvalwater is waargeneem voor die gerapporteerde styging in kliniese gevalle, veral tydens die delta variant-gedrewe golf, wat aandui dat die monitering van farmaseutiese middele gebruik kan word as 'n vroeë waarskuwing voorspeller van siekte-uitbrake. Dit beklemtoon ook die potensiaal van ABE om gebruik te word om insigte oor algehele bevolkingsgesondheid te verskaf en om sodoende ingeligte besluitneming oor openbare gesondheid te bewerkstellig. ABE was ook geïmplementeer om die aanwesigheid en verspreiding van rotavirus te monitor wat aangedui het dat rotavirus deur die jaar aanwesig was en dat daar hoër virale ladings in 2022 was, veral in digbevolkte gebiede. Die navorsingstudie het die doeltreffendheid van ABE getoon as 'n waardevolle gemeenskapswye moniteringsinstrument wat as 'n vroeë waarskuwingstelsel aangewend kan word om die aanwesigheid van patogene soos rotavirus aan te dui en wat dus geteikende ingrypende maatreëls in hoërisiko-gemeenskappe kan evalueer en ondersteun. In samevatting wys hierdie studie die aanpasbaarheid en doeltreffendheid van ABE in die monitering van 'n reeks patogene en dat dit gebruik kan word om waardevolle inligting te verskaf om openbare gesondheidsbesluite in te lig en om sodoende siekte-uitbrake effektief te beheer.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie het die toepassing van afvalwatergebaseerde epidemiologie (ABE) as 'n waardevolle hulpmiddel vir openbare gesondheidsbesluitneming ondersoek, veral in die konteks van die monitering van ernstige akute respiratoriese sindroom koronavirus 2 (EARS-KoV-2), van ander patogene soos rotavirus, en van farmaseutiese middele as vroeë waarskuwingsvoorspellers in afvalwater. Die navorsing het verskeie aspekte van ABE ondersoek om die geskiktheid en aanpasbaarheid daarvan vir gebruik in lae- en medium- inkomstelande (LMILe) te bepaal. Meer spesifiek, die aspekte van ABE wat ontleed was was die standaardisering van ‘n metode vir EARS-KoV-2 monitering, die gebruik van ABE vir die ontleding van verspreidingspatrone van EARS-KoV-2 tussen areas en oor tyd, die ondersoek van verskillende normaliseringstegnieke, die gebruik van ABE as 'n vroeë waarskuwingstelsel in geslote gemeenskappe soos universiteitskoshuise, die monitering van die gebruik van farmaseutiese middele as 'n voorspellende aanwyser vir siekte-uitbrake in gemeenskappe en die uitbreiding van die gevestigde metodologie om die aanwesigheid van ander virale patogene soos rotavirus in afvalwater te ondersoek. Hierdie studie het vasgestel dat saamgestelde monsters die mees betroubare resultate gelewer het in terme van hoër gemete virale ladings en die fasilitering van meer betroubare tydruimtelike assesserings. Dit was ook bepaal dat die Qiagen RNeasy PowerSoil Total RNA Kit die mees tyddoeltreffende metode was om RNS te onttrek en het die mees konsekwente resultate gelewer. Daaropvolgend is ABE aangewend om die ruimtelike-temporele verspreidingspatrone van EARS-KoV-2 in afvalwater van spesifieke gemeenskappe te monitor deur gebruik te maak van fisiese-chemiese parameters vir bevolkingsnormalisering. Die analiese van afvalwater het waardevolle insigte gelewer oor die aanwesigheid van EARS-KoV-2 in hierdie gemeenskappe en het aangedui dat daar ‘n ooreenkoms was tussen die virale ladings in afvalwater en die gerapporteerde kliniese COVID-19 gevalle wanner infeksie getalle gestyg het. Gebasseer op die bevindinge word dit aanbeveel dat ABE gebruik word as 'n aanvullende metode om die implementering van spesifieke ingrypingsmaatreëls binne hoërisiko-gemeenskappe te evalueer. Die navorsing het ook die belangrikheid van afvalwater monitering in studentekoshuise getoon vir die vroeë identifisering van die teenwoordigheid van EARS-KoV-2 op kampus, wat gelei het tot ingeligte besluitneming deur universiteitsbestuur en wat gehelp het om die impak van potensiële superverspreider byeenkomste te beperk. Verder is ABE ook gebruik om die konsentrasie van parasetamol in afvalwater te bepaal en om die potensiële ooreenkoms daarvan met COVID-19 gevalle en die teenwoordigheid van EARS-KoV-2 in gemeenskappe vas te stel deur middel van afvalwateranaliese. 'n Toename in parasetamol vlakke in afvalwater is waargeneem voor die gerapporteerde styging in kliniese gevalle, veral tydens die delta variant-gedrewe golf, wat aandui dat die monitering van farmaseutiese middele gebruik kan word as 'n vroeë waarskuwing voorspeller van siekte-uitbrake. Dit beklemtoon ook die potensiaal van ABE om gebruik te word om insigte oor algehele bevolkingsgesondheid te verskaf en om sodoende ingeligte besluitneming oor openbare gesondheid te bewerkstellig. ABE was ook geïmplementeer om die aanwesigheid en verspreiding van rotavirus te monitor wat aangedui het dat rotavirus deur die jaar aanwesig was en dat daar hoër virale ladings in 2022 was, veral in digbevolkte gebiede. Die navorsingstudie het die doeltreffendheid van ABE getoon as 'n waardevolle gemeenskapswye moniteringsinstrument wat as 'n vroeë waarskuwingstelsel aangewend kan word om die aanwesigheid van patogene soos rotavirus aan te dui en wat dus geteikende ingrypende maatreëls in hoërisiko-gemeenskappe kan evalueer en ondersteun. In samevatting wys hierdie studie die aanpasbaarheid en doeltreffendheid van ABE in die monitering van 'n reeks patogene en dat dit gebruik kan word om waardevolle inligting te verskaf om openbare gesondheidsbesluite in te lig en om sodoende siekte-uitbrake effektief te beheer.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2024.