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Préparation des échantillons d’eaux usées pour la surveillance de la charge virale à l’Eawag (Eawag, Andri Bryner)

La continuité de surveillance des eaux usées est assurée

19 février 2026 | Andri Bryner

L’Institut Fédéral Suisse des Sciences et Technologies de l’Eau est désormais le centre national de référence pour la surveillance des eaux usées, il est mandaté par l’Office fédéral de la santé publique. Son activité principale consiste à collecter des données sanitaires à partir des eaux usées communales, en particulier celles concernant des virus connus pour être pathogènes. Il a également obtenu un nouveau mandat fédéral pour l’analyse des substances générées par la consommation de médicaments et de stupéfiants.

«Le coronavirus? C’est fini maintenant, non?». Les chercheurs de l’Institut de recherche de l’eau Eawag entendent souvent ce genre de remarques. Mais le coronavirus est toujours là, et beaucoup de choses se sont ajoutées depuis. C'est pourquoi l’équipe s’est agrandie, travaille maintenant dans deux nouveaux laboratoires et remplit aujourd'hui une mission élargie.

Par exemple: l’épidémiologie basée sur les eaux usées (en anglais: Wastewater-based epidemiology – WBE) a connu à partir de 2020, un essor considérable avec la pandémie de SARS-CoV-2. À partir de l'automne 2020, l'Eawag et l'EPFL, puis de nombreux laboratoires mandatés par l'Office fédéral de la santé publique (OFSP), ont analysé temporairement des échantillons d'eaux usées provenant de plus de 100 stations d'épuration suisses afin de détecter la présence du coronavirus.

La méthodologie et les possibilités techniques et matérielles ont depuis été améliorées et constamment enrichies. Les virus de la grippe et le virus RSV, particulièrement dangereux pour les jeunes enfants, ont rapidement été ajoutés au « spectre de détection des eaux usées». Comme l’Eawag est également capable, depuis plus de 20 ans, de détecter les résidus de médicaments et d’autres substances dans les eaux usées, il était logique d’intégrer également la surveillance de ces substances dans les programmes.
 

À gauche: Préparation des échantillons d’eaux usées. Au centre: Stockage des échantillons dans le congélateur, au cas où les analyses devraient être répétées ou si de nouvelles problématiques s’ajoutent ultérieurement. À droite: Appareils PCR numériques pour la détermination de l’ARN viral. (Photos: Andri Bryner, Eawag)

Collaboration interdisciplinaire

La WBE est un domaine de recherche résolument interdisciplinaire. À l’Eawag, ce sont principalement les experts des trois départements: Gestion des eaux urbaines, Microbiologie de l’environnement et Chimie de l’environnement qui y participent. À cela s’ajoute une collaboration avec d’autres services, comme ceux des groupes chargés de la bio-informatique et de la recherche évolutive assistée par ordinateur de l’ETH ou le Laboratoire de virologie environnementale de l’EPFL.

Depuis l’été 2023, le nombre de stations d’épuration dont les eaux usées sont testées pour détecter la présence d’agents pathogènes a été réduit et toutes les analyses sont désormais effectuées de manière centralisée à l’Eawag à Dübendorf. Actuellement, dix stations d’épuration réparties dans toute la Suisse participent au programme, de Genève à Saint-Gall et de Lugano à Bâle. Au total, les eaux usées de près de deux millions de personnes, soit environ 20 % de la population, sont ainsi couvertes par ce programme. Des innovations technologiques telles que les appareils PCR numériques pour la détermination de l’ARN viral ou le développement de tests multiplex permettant la mesure simultanée de différents virus ont rendu le processus encore plus efficace et les résultats plus comparables entre eux.

Centre national de référence

Depuis le début de l’année 2026, l’Eawag est devenu le centre national de référence officiel pour la surveillance des eaux usées (NRAM) mandaté par l’OFSP. Cette collaboration est prévue pour une durée initiale de dix ans. Christoph Ort est chef du département Gestion des eaux urbaines. Il coordonne les projets en collaboration avec Tim Julian du département de Microbiologie de l’environnement. «C’est un grand pas en avant pour nous. L’institutionnalisation de la surveillance signifie que nous pourrons rester constamment vigilants et que, si une nouvelle pandémie devait survenir, nous serions beaucoup mieux préparés et formés qu’au printemps 2020», explique Ort. Par ailleurs, le renforcement de cette collaboration ouvre la possibilité de travailler avec des services spécialisés et donc l’élargissement de notre spectre viral afin d’approfondir plus rapidement les questions qui se posent. Ort cite comme exemple l’apparition soudaine de la variole du singe en 2022.

Simon Ming, porte-parole de l’OFSP, déclare: «La collaboration avec l’Eawag est essentielle pour l’établissement et la poursuite à long terme de la surveillance nationale des eaux usées qui complète de manière pertinente nos systèmes existants de surveillance des agents pathogènes et d’analyse des substances issues de la consommation de médicaments et de stupéfiants. Grâce à son expertise scientifique et à son réseau interdisciplinaire solide, l’Eawag contribue de manière décisive à ce que la surveillance des eaux usées fournisse de précieuses connaissances concernant la protection de la santé publique.»

En principe, la surveillance des eaux usées permet, à partir d’un petit nombre d’échantillons, de suivre de manière fiable la circulation dans l’espace et le temps de certains virus, de détecter précocement l’apparition de nouveaux variants et de planifier et mettre en œuvre efficacement des mesures de protection de la population. Christoph Ort considère comme un avantage supplémentaire le fait que l’Eawag et ses partenaires en soient désormais responsables à long terme: plus les séries chronologiques de données s’allongent et plus il existe de possibilités de comparaison entre les données chimiques et microbiologiques, plus il devient possible de mieux comprendre des corrélations qui ne peuvent être mises en évidence à partir de campagnes de mesure de courte durée.

Tendances nationales pour le SARS-CoV-2, la grippe A et la grippe B

Tendances nationales pour le SARS-CoV-2 (en haut, en bleu), la grippe A (au milieu, en violet) et la grippe B (en bas, en vert). Évolution des quantités d’ARN respectifs de ces virus dans les eaux usées suisses d’environ 2 millions de personnes. En gris, les cas signalés et confirmés par le système de déclaration Sentinella . Les vagues de grippe hivernales sont clairement visibles, tout comme l’absence quasi totale de grippe B durant les hivers 2024 et 2026. Graphiques issus du portail de données https://wise.ethz.ch/ )
Tendances nationales pour le SARS-CoV-2 (en haut, en bleu), la grippe A (au milieu, en violet) et la grippe B (en bas, en vert). Évolution des quantités d’ARN respectifs de ces virus dans les eaux usées suisses d’environ 2 millions de personnes. En gris, les cas signalés et confirmés par le système de déclaration Sentinella . Les vagues de grippe hivernales sont clairement visibles, tout comme l’absence quasi totale de grippe B durant les hivers 2024 et 2026. Graphiques issus du portail de données https://wise.ethz.ch/ ) 
La spectrométrie de masse haute résolution permet de détecter les plus infimes traces de médicaments ou de drogues dans les échantillons d’eaux usées. (Eawag, Leonardo Biasio)
La spectrométrie de masse haute résolution permet de détecter les plus infimes traces de médicaments ou de drogues dans les échantillons d’eaux usées. (Eawag, Leonardo Biasio)

L’association de ces résultats et de la surveillance des substances présentes dans les eaux usées ouvre de nouvelles perspectives

Dans le cadre de la «Stratégie en matière d’addictions et de prévention des maladies transmissibles», l’OFSP et l’Eawag ont conclu, après un projet pilote couronné de succès, un contrat pour la poursuite de la surveillance de ces substances via l’analyse des eaux usées. Ce contrat court jusqu’à fin 2029. La recherche de substances issues de la consommation de médicaments et de stupéfiants par l’analyse des eaux usées doit ainsi fournir des informations supplémentaires quant à la consommation légale ou illégale de substances et l’état de santé de la population. Les données concernant les deux premiers trimestres 2025 du projet «DroMedArio II» – abréviation de Drogues, Médicaments et Résidus de tabac, épidémiologie basée sur les eaux usées – pour les dix villes suisses dont les eaux usées sont également analysées pour la recherche d’agents pathogènes sont d’ores et déjà disponibles sur le Portail de données DroMedArio. Pour les experts, en particulier ceux travaillant dans le domaine de la prévention sanitaire, l’évolution de la concentration des substances pour lesquelles les chiffres de vente sont inexistants ou incertains sont particulièrement intéressantes. Selon le motto «les eaux usées ne mentent pas», ils peuvent déduire des données obtenues, les tendances, l’augmentation ou la diminution de la consommation de ces drogues dans la société. La surveillance des eaux usées vient ainsi étayer les observations provenant d’autres sources (p. ex. la police ou le Centre d’information sur les drogues) concernant la propagation de certaines substances, comme la kétamine. La part attribuable aux applications médicales ou à l’abus de substances doit être clarifiée de manière plus détaillée à l’aide des chiffres de consommation et d’autres données.

En haut: les eaux usées montrent une augmentation de la consommation de kétamine, et que la valeur élevée des données zurichoises (en vert) se situe au-dessus de la moyenne des dix villes suisses (en noir). En bas: évolution de la benzoylecgonine, le principal métabolite typique de la consommation de cocaïne, dans les eaux usées de Zurich. Les valeurs plus élevées pendant les week-ends sont clairement visibles. (Graphiques extraits de https://dromedario.ch)
En haut: les eaux usées montrent une augmentation de la consommation de kétamine, et que la valeur élevée des données zurichoises (en vert) se situe au-dessus de la moyenne des dix villes suisses (en noir). En bas: évolution de la benzoylecgonine, le principal métabolite typique de la consommation de cocaïne, dans les eaux usées de Zurich. Les valeurs plus élevées pendant les week-ends sont clairement visibles. (Graphiques extraits de https://dromedario.ch)

La combinaison des analyses chimiques et microbiologiques des eaux usées ouvre de nouvelles perspectives Si, par exemple, une forte augmentation d’un médicament contre la toux est détectée dans les eaux usées, cela peut indiquer l’arrivée d’une maladie et des symptômes dans la société civile avant même que les cabinets médicaux ou les hôpitaux ne signalent une augmentation du nombre de personnes gravement malades.

Certainement pas une police des eaux usées

Malgré son institutionnalisation et la mise en place de certaines procédures de routine, la surveillance des eaux usées de l’Eawag reste un projet de recherche. En effet, de nouvelles questions se posent sans cesse, par exemple celle de savoir s’il serait possible de développer une technologie permettant d’automatiser les analyses en conservant la même qualité de données, directement dans les stations d’épuration. Grâce à une plus grande notoriété, ces questions proviennent de plus en plus souvent des autorités ou des praticiens hospitaliers. L’équipe WBE apporte son soutien dans la mesure du possible. «Mais ce que nous ne sommes certainement pas, c’est une police des eaux usées», précise Ort. Par exemple, l’Eawag ne mènera pas de campagnes de mesure dans les écoles qui souhaitent surveiller la consommation de cannabis de leurs élèves.

Photo de couverture: Préparation des échantillons d’eaux usées pour la surveillance de la charge virale à l’Eawag (Eawag, Andri Bryner)

Article original

Determinants and spatio-temporal structure of variability in wastewater SARS-CoV-2 viral load measurements in Switzerland: key insights for future surveillance efforts

Background: Wastewater-based surveillance (WBS) has emerged as a valuable tool for monitoring the circulation of infectious pathogens in the population, offering a complement to classical surveillance methods. However, the interpretation of WBS data is often challenged by substantial variability and bias in viral load measurements, which can stem from differences in laboratory protocols, population demographics, and in-sewer fate and transport processes.
Methods and findings: We analysed 23,025 wastewater samples collected between February 2022 and November 2023 from 118 wastewater treatment plants (WWTPs) across Switzerland. Samples of influent wastewater were processed by 8 independent laboratories using distinct concentration, extraction and quantification methods to estimate SARS-CoV-2 concentrations. Concentrations were converted to daily viral loads using wastewater flow rates, and normalized by the size of the population served by the treatment plant. To characterise the contributions of different sources of variation, we applied a Bayesian modelling framework, incorporating fixed effects and spatio–temporal random effects to separate the contributions of laboratory protocols, demographic factors, and geographic structure to the observed variability in SARS-CoV-2 viral loads. Our analysis revealed that laboratory-specific biases were substantial, and that local demographic characteristics (particularly the age structure of the catchment population) also influenced viral load estimates. Adjusting for these sources of bias improved the reliability of interpretations based on viral loads, as indicated by an increased correlation with regional COVID-19 hospitalization data (from 0.55 for raw data to 0.77 for adjusted temporal trends). Dynamic time warping clustering of the adjusted temporal trends uncovered distinct geographic clusters, highlighting persistent spatial structures that evolved over successive epidemic phases.
Conclusions: Our study demonstrates that variability in WBS data during the 2022-2023 Swiss national SARS-CoV-2 surveillance campaign is driven by a complex interplay of laboratory methods, population demographics, and spatio-temporal dynamics. Standardization of laboratory protocols and the implementation of robust statistical adjustment methods such as the one demonstrated here can enhance the reliability of WBS as a public health surveillance tool. These findings provide underscore the importance of advanced data processing methods for enhancing future surveillance efforts and for the effective integration of wastewater data into public health decision-making frameworks.
Riou, J.; Fesser, A.; Wagner, M.; Schneider, K.; Güdel-Krempaska, N.; Ort, C.; Julian, T. R.; Stadler, T.; Munday, J. D. (2025) Determinants and spatio-temporal structure of variability in wastewater SARS-CoV-2 viral load measurements in Switzerland: key insights for future surveillance efforts, PLoS Water, 4(11 November), e0000453 (17 pp.), doi:10.1371/journal.pwat.0000453, Institutional Repository

A six-plex digital PCR assay for monitoring respiratory viruses in wastewater

Wastewater surveillance can track trends in multiple pathogens simultaneously by leveraging efficient laboratory processing. In Switzerland, wastewater surveillance of four respiratory pathogens is conducted at 14 locations representing 2.3 million people. Trends in respiratory diseases are tracked using a six-plex digital PCR assay targeting influenza A, influenza B, respiratory syncytial virus and SARS-CoV-2 N1 and N2 regions and murine hepatitis virus for recovery efficiency control. Wastewater data were integrated with disease data from two reporting systems, and comparisons from July 2023 to July 2024 showed strong agreement for most targets. Lower correspondence for influenza B highlighted challenges in tracking disease dynamics during seasons without pronounced outbreaks. Wastewater monitoring further revealed that targeting N1 or N2 led to divergent estimates of SARS-CoV-2 loads, highlighting the impact of mutations in assay target regions. The study emphasizes the importance of an integrated wastewater monitoring programme as a complementary tool for public health surveillance, demonstrating clear concordance with clinical data.
Pitton, M.; McLeod, R. E.; Caduff, L.; Dauletova, A.; de Korne-Elenbaas, J.; Gan, C.; Hablützel, C.; Holschneider, A.; Kang, S.; Loustalot, G.; Schmidhalter, P.; Schneider, L.; Wettlauffer, A.; Yordanova, D.; Julian, T. R.; Ort, C. (2025) A six-plex digital PCR assay for monitoring respiratory viruses in wastewater, Nature Water, 3, 1174-1186, doi:10.1038/s44221-025-00503-x, Institutional Repository

Insights into respiratory illness at the population level through parallel analysis of pharmaceutical and viral markers in wastewater

Wastewater as a medium contains information on both circulating pathogens and drug consumption at the population level. This study combines tracking of respiratory viruses and quantification of pharmaceuticals as untargeted indicators of symptoms related to acute respiratory infections and influenza-like illnesses such as coughing, fever and pain. From January 2021 to June 2024, raw wastewater samples from ten locations covering 23% of the Swiss population were analysed. This encompassed 15 pharmaceuticals and four priority respiratory viruses including severe acute respiratory syndrome coronavirus virus-2 (SARS-CoV-2), respiratory syncytial virus (RSV), influenza A and influenza B viruses. The pharmaceutical compounds dextromethorphan, pheniramine, clarithromycin, acetaminophen and codeine showed a strong correlation with respiratory virus loads in wastewater. This enabled the estimation of pathogen-specific and cumulative symptom treatment in the population. In 2021 and 2024, notable increases in pharmaceutical loads without corresponding increases in viral loads signalled high community symptoms linked to unsurveilled pathogens. This study demonstrates that pharmaceutical surveillance can inform respiratory disease burden and highlights the value of integrated surveillance for assessing emerging public health threats beyond those routinely monitored.
Baumgartner, S.; Salvisberg, M.; Schmidhalter, P.; Julian, T. R.; Ort, C.; Singer, H. (2025) Insights into respiratory illness at the population level through parallel analysis of pharmaceutical and viral markers in wastewater, Nature Water, 3, 580-589, doi:10.1038/s44221-025-00437-4, Institutional Repository

Intraday trends of chemical biomarkers in wastewater monitored through automated real-time surveillance

Wastewater-based epidemiology is an established approach for monitoring population-level illicit drug use. Standard methods rely on 24-hour composite samples collected from treatment plant influent. While suitable for assessing long-term consumption patterns, composite samples obscure diurnal information on daily load dynamics - valuable for understanding substance sources and normalization strategies. Currently, the required, high manual effort limits the feasibility of diurnal monitoring applications.
In this study, we deployed a transportable, automated liquid chromatography-mass spectrometry system (MS2Field) at the influent of the wastewater treatment plant in Zurich, Switzerland (serving 471,000 people). Over an eight-week period from July to September 2023 - including school holidays and two major public events - samples were analyzed every 36 min (1909 total). Loads of five exogenous population biomarkers, six common illicit drug markers, and the cocaine adulterant levamisole were quantified. In parallel, hourly mobile phone data were used to estimate de facto population size and demographic composition in the catchment.
Automated analysis enabled the detection of consistent, weekday-specific intraday patterns for individual substances. Population biomarkers exhibited distinct temporal profiles: paraxanthine remained stable during working hours, while candesartan declined even at peak population times - highlighting implications for normalization, particularly with day visitors. Mobile phone-based occupancy data aligned with general trends but diverged during large events, likely due to mobile toilet use, whereas chemical markers directly reflected the contributing population.
During the special events, MDMA, ketamine, and amphetamine loads rose with distinct profiles - one event showing a gradual overnight rise, the other a morning peak. Daily MDMA loads were 20-fold higher during one event than typical weekends. Ketamine showed irregular spikes, possibly due to a smaller user base, rapid excretion, or direct input. Levamisole loads rose on weekends and during events, mirroring benzoylecgonine, indicating continued presence as harmful cocaine adulterant.
Automated analysis reveals short-term intraday trends, providing additional insights into the sources of chemical marker loads - such as consumption, excretion, and contributions from transient populations - that are typically averaged out in standard 24-hour composite samples.
Baumgartner, S.; Ceppi, E.; Longrée, P.; Salvisberg, M.; Singer, H.; Ort, C. (2025) Intraday trends of chemical biomarkers in wastewater monitored through automated real-time surveillance, Water Research, 287, 124337 (12 pp.), doi:10.1016/j.watres.2025.124337, Institutional Repository

Conforti, S., Pitton, M. et al (2025). Integrated analyses of longitudinal trends of antibiotic-resistant bacteria in wastewater, clinical resistance data, and antibiotic consumption in Switzerland. Preprint on medrxiv: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2025.11.22.25340789v1

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