Wastewater surveillance represents a complementary approach to clinical surveillance to measure the presence and prevalence of emerging infectious diseases like the novel coronavirus SARS-CoV-2. This innovative data source can improve the precision of epidemiological modeling to understand the penetrance of SARS-CoV-2 in specific vulnerable communities. Here, we tested wastewater collected at a major urban treatment facility in Massachusetts and detected SARS-CoV-2 RNA from the N gene at significant titers (57 to 303 copies per ml of sewage) in the period from 18 to 25 March 2020 using RT-qPCR. We validated detection of SARS-CoV-2 by Sanger sequencing the PCR product from the S gene. Viral titers observed were significantly higher than expected based on clinically confirmed cases in Massachusetts as of 25 March. Our approach is scalable and may be useful in modeling the SARS-CoV-2 pandemic and future outbreaks.IMPORTANCE Wastewater-based surveillance is a promising approach for proactive outbreak monitoring. SARS-CoV-2 is shed in stool early in the clinical course and infects a large asymptomatic population, making it an ideal target for wastewater-based monitoring. In this study, we develop a laboratory protocol to quantify viral titers in raw sewage via qPCR analysis and validate results with sequencing analysis. Our results suggest that the number of positive cases estimated from wastewater viral titers is orders of magnitude greater than the number of confirmed clinical cases and therefore may significantly impact efforts to understand the case fatality rate and progression of disease. These data may help inform decisions surrounding the advancement or scale-back of social distancing and quarantine efforts based on dynamic wastewater catchment-level estimations of prevalence.

ABSTRACT Coevolution between bacteriophage (or phage) and their bacterial host is thought to be key for the coexistence of these antagonists. Recent studies have revealed the major role of mobile genetic elements in the emergence of phage resistant hosts but how phage escape these defenses in the wild remained to be explored. Here we show a striking parallel in phage evolving counter defenses to host defenses in natural population. We established a large collection of phages and their bacterial hosts and we explored the genetic structure of their interaction. We find that clearly delineated genomic clusters of phage are specific for distinct clades within a bacterial species, Vibrio crassostreae , yet while all phages can adsorb, only a subset of hosts are killed due to intracellular defense mechanisms. Host genomes contain multiple mobile defense genes and susceptibility to phage is negatively correlated with genome size. Phages also display extensive gene content variation, but their genome size remains conserved. We show that this gene content variation in hosts and phage is due to rapid turnover of genes involved in defense and escape, and that by exchanging anti-defense genes, phages irreversibly switch host. This could be indicative of co-evolution following the matching-allele-model of specificity and the spatial and temporal variability of phage infectivity further suggests that negative-frequency dependent selection drives phage-vibrio coevolutionary dynamics. We propose a “pan-escape system” that can be shared among phages by homologous recombination within a population that infects a bacterial host.

Abstract Although it is generally accepted that viruses (phages) drive bacterial evolution, how these dynamics play out in the wild remains poorly understood. Here we show that the arms race between phages and their hosts is mediated by large and highly diverse mobile genetic elements. These phage-defense elements display exceedingly fast evolutionary turnover, resulting in differential phage susceptibility among clonal bacterial strains while phage receptors remain invariant. Protection afforded by multiple elements is cumulative, and a single bacterial genome can harbor as many as 18 putative phage-defense elements. Overall, elements account for 90% of the flexible genome amongst closely related strains. The rapid turnover of these elements demonstrates that phage resistance is unlinked from other genomic features and that resistance to phage therapy might be as easily acquired as antibiotic resistance.

Abstract Microbial communities are shaped by viral predators 1 . Yet, resolving which viruses (phages) and bacteria are interacting is a major challenge in the context of natural levels of microbial diversity 2 . Thus, fundamental features of how phage-bacteria interactions are structured and evolve in “the wild” remain poorly resolved 3, 4 . Here we use large-scale isolation of environmental marine Vibrio bacteria and their phages to obtain quantitative estimates of strain-level phage predator loads, and use all-by-all host range assays to discover how phage and host genomic diversity shape interactions. We show that killing in environmental interaction networks is sparse - with phage predator loads low for most bacterial strains and phages host-strain-specific in their killing. Paradoxically, we also find that although overlap in killing is generally rare between phages, recombination is common. Together, these results indicate that the number of hosts that phages infect is often larger than the number that they kill and suggest that recombination during cryptic co-infections is an important mode of phage evolution in microbial communities. In the development of phages for bioengineering and therapeutics it will be important to consider that nucleic acids of introduced phages may spread into local phage populations through recombination, and that the likelihood of transfer is not predictable based on killing host range.

Abstract Background Porphyromonas gingivalis (hereafter “ Pg ”) is an oral pathogen that can act as a keystone driver of inflammation and periodontal disease. Although Pg is most readily recovered from individuals with actively progressing periodontal disease, healthy individuals and those with stable non-progressing disease are also colonized by Pg . Insights into the factors shaping the striking strain-level variation in Pg , and its variable associations with disease, are needed to achieve a more mechanistic understanding of periodontal disease and its progression. A key force shaping strain level diversity in all microbial communities is infection of bacteria by their viral (phage) predators and symbionts. Surprisingly, although Pg has been the subject of study for over 40 years, essentially nothing is known of its phages, and the prevailing paradigm is that phages are not important in the ecology of Pg . Results Here we systematically addressed the question of whether Pg are infected by phages - and we found that they are. We found that prophages are common in Pg , they are genomically diverse, and they encode genes that have the potential to alter Pg physiology and interactions. We found that phages represent unrecognized targets of the prevalent CRISPR-Cas defense systems in Pg , and that Pg strains encode numerous additional mechanistically diverse candidate anti-phage defense systems. We also found that phages and candidate anti-phage defense system elements together are major contributors to strain level diversity and the species pangenome of this oral pathogen. Finally, we demonstrate that prophages harbored by a model Pg strain are active in culture, producing extracellular viral particles in broth cultures. Discussion This work definitively establishes that phages are a major unrecognized force shaping the ecology and intraspecies strain-level diversity of the well-studied oral pathogen Pg . The foundational phage sequence datasets and model systems that we establish here add to the rich context of all that is already known about Pg , and point to numerous avenues of future inquiry that promise to shed new light on fundamental features of phage impacts on human health and disease broadly.

Abstract Viral lysis accounts for much of microbial mortality in the ocean, and iron (Fe) is a critical micronutrient that can limit phytoplankton growth, yet interactions between Fe-nutrition and viral lysis are not well known. Here, we present viral infection dynamics under Fe-limited and Fe-replete conditions for three distinct marine microbes, the photosynthetic picoeukaryote Ostreococcus lucimarinus , the cyanobacterium Synechococcus , and two strains of the heterotrophic bacterium Vibrio . Iron limitation of Ostreococcus resulted in slowed growth, and a corresponding decrease in viral burst sizes was observed; this is similar to results from studies of larger eukaryotic phytoplankton (Slagter et al. 2016; Kranzler et al. 2021), where reduced viral replication under Fe-limitation is attributed to the viral reliance on host metabolism and replication machinery. For one strain of Vibrio , Fe-limitation similarly impacted viral dynamics, increasing the latent period before infected cells burst to release new virus, and reducing the number of infective viral particles released upon viral lysis. Unexpectedly, for another strain of Vibrio , Fe-limitation had no discernible effect on viral replication. Furthermore, dynamics of three Synechococcus cyanophages was not affected by Fe-limitation of the host, either in terms of latent period or burst size. The results illuminate the extraordinary ability of some marine viruses, particularly cyanophages, to highjack host metabolism to produce new viral particles, even when host growth is compromised. This has implications for marine ecology and carbon cycling in Fe-limited regions of the global ocean.