Detection and tracking of emerging viruses of public health interest in waters through molecular and metagenomic procedures

Abstract

[ES] El objetivo inicial de esta tesis era detectar y rastrear virus entéricos en diferentes matrices acuáticas mediante la combinación de protocolos moleculares y metagenómicos. Se establecieron como objetivos principales el desarrollo de procedimientos para la concentración de virus en muestras de aguas residuales, el análisis de virus indicadores de contaminación fecal y la caracterización del viroma de estas muestras. En cuanto al desarrollo de procedimientos para la concentración de virus entéricos emergentes en muestras de aguas residuales, el protocolo de floculación con hidróxido de aluminio, utilizado habitualmente en el grupo para la concentración de otros virus entéricos, resultó muy eficaz para el virus de la Hepatitis E, permitiendo su detección en muestras de aguas de entrada y salida de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Por lo que respecta al seguimiento de la prevalencia de otros virus entéricos e indicadores virales en muestras de entrada y salida de EDARs, esta tesis proporciona información cuantitativa sobre la presencia del indicador crAssphage y otros virus entéricos de cápside intacta en aguas de diferentes EDARs valencianas. Además, los resultados de la correlación indican que crAssphage podría no ser un indicador óptimo de la presencia de virus entéricos infecciosos en las aguas residuales tratadas. En relación a la caracterización del viroma de las muestras de agua de las EDARs analizadas, en la presente tesis se describe un procedimiento de referencia que permite la detección y caracterización de las poblaciones virales en las muestras de aguas residuales recogidas a la entrada y salida de la planta depuradora. También se refleja el sesgo existente en los perfiles del viroma que se obtienen según las librerías de secuenciación que se empleen. En este sentido, esta investigación arroja luz sobre la diversidad de las comunidades virales en influentes y efluentes de aguas residuales, proporcionando información valiosa también en términos de indicadores fecales virales. Con la llegada de la pandemia de COVID-19 a principios de 2020, el SARS-CoV-pasó a ser el protagonista de la segunda parte de la tesis. En este aspecto, se marcaron como objetivos implementar un sistema de monitorización de SARS-CoV-2 en aguas residuales y desarrollar y optimizar métodos moleculares rápidos para inferir la infectividad del SARS-CoV-2. Los resultados obtenidos han demostrado que la aplicación de la epidemiología basada en aguas residuales (WBE) es eficiente para estimar la presencia de COVID-19 en comunidades y puede servir de herramienta para la salud pública como alerta temprana ante situaciones pandémicas. Asimismo, esta tesis incluye el primer estudio publicado en España que realizó un análisis metagenómico de la diversidad del SARS-CoV-2 presente en las aguas residuales en las tres primeras oleadas epidemiológicas, cuyos resultados confirmaron el potencial de la secuenciación masiva de aguas residuales para detectar nuevas mutaciones y linajes del SARS-CoV-2. Además, también se han comparado y optimizado los protocolos de concentración, extracción y detección de ácidos nucleicos de coronavirus a partir de muestras de aguas residuales, superficiales y de mar. Así, este trabajo amplía el conocimiento sobre los procedimientos analíticos para la detección del SARS-CoV-2 en aguas residuales favoreciendo la implementación global del COVID-19 WBE. Finalmente, se ha implementado un protocolo de RT-qPCR de viabilidad basado en el cloruro de platino para evitar la amplificación del ARN del SARS-CoV-2 no infeccioso. Además, los resultados de esta tesis apoyan la idea de que el SARS-CoV-2 presente en las aguas residuales no es infeccioso. En general, en el marco de esta tesis doctoral se ha desarrollado una herramienta analítica rápida basada en la RT-qPCR de viabilidad para inferir la infectividad del SARS-CoV-2 con potencial aplicación en la evaluación de riesgos, la prevención y el control en los programas de salud

[CA] L'objectiu inicial d'esta tesi era detectar i rastrejar virus entèrics en diferents matrius aquàtiques mitjançant la combinació de protocols moleculars i metagenòmics. Es van establir com a objectius específics el desenvolupament de procediments per a la concentració de virus en mostres d'aigües residuals, l'anàlisi de virus indicadors de contaminació fecal i la caracterització del viroma d'estes mostres. Pel que fa al desenvolupament de procediments per a la concentració de virus entèrics emergents en mostres d'aigües residuals, el protocol de floculació amb hidròxid d'alumini, utilitzat habitualment al grup per a la concentració d'altres virus entèrics, va resultar molt eficaç per al virus de l'hepatitis E, permetent-ne la detecció en mostres d'aigües d'entrada i de sortida d'estacions depuradores d'aigües residuals (EDAR). Pel que fa al seguiment de la prevalença d'altres virus entèrics i indicadors virals en mostres d'entrada i de sortida d'EDARs, esta tesi proporciona informació quantitativa sobre la presència de l'indicador crAssphage i altres virus entèrics de càpside intacta en aigües de diferents EDARs valencianes. A més, els resultats de la correlació indiquen que el bacteriòfag crAssphage podria no ser un indicador òptim de la presència de virus entèrics infecciosos a les aigües residuals tractades. Pel que fa a la caracterització del viroma de les mostres d'aigua de les EDARs analitzades, a la present tesi es descriu un procediment de referència que permet la detecció i caracterització de les poblacions virals a les mostres d'aigües residuals recollides a l'entrada i sortida de la planta depuradora. També es reflecteix el biaix existent als perfils del viroma que s'obtenen segons les llibreries de seqüenciació que s'utilitzen. En este sentit, esta investigació aporta coneixement sobre la diversitat de les comunitats virals en influents i efluents d'aigües residuals, proporcionant informació valuosa també en termes d'indicadors fecals virals. Amb l'arribada de la pandèmia de COVID-19 a principis del 2020, el SARS-CoV-va passar a ser el protagonista de la segona part de la tesi. En este aspecte, es van establir com a objectius implementar un sistema de monitorització de SARS-CoV-2 en aigües residuals i desenvolupar i optimitzar mètodes moleculars ràpids per inferir la infectivitat del SARS-CoV-2. Els resultats obtinguts han demostrat que l'aplicació de l'epidemiologia basada en aigües residuals (WBE) és eficient per estimar la presència de COVID-19 a les comunitats i pot servir d'eina per a la salut pública com a alerta primerenca davant de situacions pandèmiques. Així mateix, esta tesi inclou el primer estudi publicat a Espanya que va realitzar una anàlisi metagenòmica de la diversitat del SARS-CoV-2 present a les aigües residuals a les tres primeres onades epidemiològiques, els resultats del qual van confirmar el potencial de la seqüenciació massiva d'aigües residuals per a detectar noves mutacions i llinatges del SARS-CoV-2. A més, també s'han comparat i optimitzat els protocols de concentració, extracció i detecció d'àcids nucleics de coronavirus a partir de mostres d'aigües residuals, superficials i de mar. Així, este treball amplia el coneixement sobre els procediments analítics per a la detecció del SARS-CoV-2 en aigües residuals afavorint la implementació global del COVID-19 WBE. Finalment, s'ha implementat un protocol de RT-qPCR de viabilitat basat en el clorur de platí per evitar l'amplificació de l'ARN del SARS-CoV-2 no infecciós. A més, els resultats d'esta tesi donen suport a la idea que el SARS-CoV-2 present a les aigües residuals no és infecciós. En general, en el marc d'esta tesi doctoral s'ha desenvolupat una eina analítica ràpida basada en la RT-qPCR de viabilitat per inferir la infectivitat del SARS-CoV-2 amb potencial aplicació en l'avaluació de riscos, la prevenció i el control en els programes de Salut Pública.

[EN] The initial aim of this thesis was to detect and monitor the presence of enteric viruses in different aquatic matrices using both molecular and metagenomic protocols. The specific objectives were the development of procedures for the concentration of viruses in wastewater samples, the analysis of viruses indicative of faecal contamination and the characterisation of the virome in these samples. Regarding the development of procedures for the concentration of emerging enteric viruses in wastewater samples, the flocculation protocol with aluminium hydroxide, commonly used in the group for the concentration of other enteric viruses, proved to be very effective for Hepatitis E virus, allowing its detection in influent and effluent water samples from wastewater treatment plants (WWTPs). Regarding the monitoring of the prevalence of other enteric viruses and viral indicators in incoming and outgoing samples from WWTPs, this thesis provides quantitative information on the presence of the indicator crAssphage and other enteric viruses with intact capsid in water from different Valencian WWTPs. Moreover, the correlation results indicate that crAssphage may not be an optimal indicator of the presence of infectious enteric viruses in treated wastewater. In relation to the virome characterisation of the WWTP water samples analysed, the present thesis describes a reference procedure that allows the detection and characterisation of viral populations in wastewater. It also reflects the existing bias in the virome profiles obtained depending on the sequencing libraries used. In this sense, this research sheds light on the diversity of viral communities in influent and effluent wastewater, providing valuable information also in terms of faecal viral indicators. With the advent of the COVID-19 pandemic in the early 2020s, SARS-CoV-2 became the focus of the second part of the thesis. In this aspect, the objectives were to implement a monitoring system for SARS-CoV-2 in wastewater and to develop and optimise rapid molecular methods to infer SARS-CoV-2 infectivity. The results obtained have demonstrated that the application of wastewater-based epidemiology (WBE) is efficient for estimating the presence of COVID-19 in communities and can serve as a Public Health tool for early warning of pandemic situations. Furthermore, this thesis includes the first study published in Spain that performed a metagenomic analysis of the SARS-CoV-2 diversity present in wastewater in the first three epidemiological waves, the results of which confirmed the potential of mass sequencing of wastewater to detect new SARS-CoV-2 mutations and lineages. In addition, protocols for the concentration, extraction and detection of coronavirus nucleic acids from sewage, surface and seawater samples have also been compared and optimised. Thus, this work expands the knowledge on analytical procedures for the detection of SARS-CoV-2 in wastewater favouring the global implementation of the COVID-19 WBE. Finally, a viability RT-qPCR protocol based on platinum chloride has been implemented to avoid amplification of non-infectious SARS-CoV-2 RNA. Furthermore, the results of this thesis support the idea that SARS-CoV-2 present in wastewater is not infectious. Overall, in the framework of this PhD thesis, a rapid analytical tool based on feasibility RT-qPCR has been developed to infer the infectivity of SARS-CoV-2 with potential application in risk assessment, prevention and control in Public Health programmes.