Varje år, bönder i USA köper tiotals miljoner pund antibiotika som är godkända för användning i kor, grisar, höns och annan boskap.

När bönder återanvänder djurens gödsel som gödsel eller strö, spår av läkemedlen läcker ut i miljön, ger upphov till oro för att jordbruket kan bidra till uppkomsten av antibiotikaresistenta bakterier.

Ny forskning har besvärliga insikter när det gäller omfattningen av detta problem.

Enligt ett par nya studier ledda av Diana Aga, PhD, Henry M. Woodburn professor i kemi vid universitetet vid Buffalo College of Arts and Sciences, två av de mest elitära avfallsbehandlingssystem som finns tillgängliga idag på gårdar tar inte helt bort antibiotika från gödsel.

Båda teknologierna – avancerad anaerob matsmältning och omvänd osmosfiltrering – lämnar efter sig när det gäller nivåer av antibiotikarester, som kan omfatta både läkemedlen i sig och molekyler som läkemedlen bryts ner till.

Dessutom, studien avslöjade nya fynd om fast avföring, som ofta filtreras bort från rå, blöt gödsel innan behandlingsteknikerna implementeras.

Forskare fann att denna fasta substans kan innehålla högre koncentrationer av antibiotika än obearbetad gödsel, en upptäckt som är särskilt oroande eftersom detta material ofta släpps ut i miljön när det används som strö för djur eller säljs som gödningsmedel.

"Vi hoppades att dessa avancerade behandlingstekniker skulle kunna ta bort antibiotika. Som det visar sig, de var inte så effektiva som vi trodde att de kunde vara, säger Aga.

Hon ger lite hopp, dock:"På den positiva sidan, Jag tror att en flerstegsprocess som även inkluderar kompostering i slutet av systemet skulle kunna minska halterna av antibiotika avsevärt. Våra tidigare studier på fjäderfäströ visade att upp till 70 procents minskning av antibiotika som kallas jonoforer kan uppnås efter 150 dagars kompostering. Att testa denna hypotes om gödsel från mjölkgårdar är nästa fas i vårt projekt, och vi ser några positiva resultat."

Forskningen om omvänd osmosfiltrering publicerades online i januari i tidskriften Kemosfär . Studien om avancerad anaerob matsmältning - ett samarbete mellan UB och Virginia Tech - dök upp online i mars i tidskriften Miljöförorening .

Avfallsbehandlingssystem är inte utformade för att ta bort antibiotika

Enligt U.S. Food and Drug Administration, mer än 30 miljoner pund antibiotika som godkänts för användning i livsmedelsproducerande boskap såldes eller distribuerades i USA 2016. Och dessa är bara en bråkdel av den totala antibiotika som används årligen runt om i världen på människor och djur.

Även om den nya forskningen fokuserar på mjölkgårdar, fynden pekar på ett större problem.

"Inget av de behandlingssystem vi studerade var designat för att ta bort antibiotika från avfall som det primära målet, Aga säger. "Avancerad anaerob rötning används för att minska lukter och producera biogas, och omvänd osmos används för att återvinna vatten. De var inte avsedda att ta itu med avlägsnande av antibiotikaföreningar.

"Detta problem är inte begränsat till jordbruk:avfallsbehandlingssystem idag, inklusive de som är utformade för att hantera kommunalt avloppsvatten, sjukhusavfall och till och med avfall från antibiotikatillverkningsindustrier, inte har behandling av antibiotika i åtanke. Detta är en oerhört viktig global fråga eftersom ökningen av antibiotikaresistens i miljön är utan motstycke. Vi måste börja fundera på detta om vi vill förhindra fortsatt resistensspridning i miljön."

Aga är en förespråkare för "One Health"-metoden för att bekämpa antimikrobiell resistens, som uppmuntrar experter som arbetar på sjukhus, jordbruk och andra sektorer relaterade till både människors och djurs hälsa att arbeta tillsammans, då människor och djur ofta behandlas med samma eller liknande antibiotika.

Aga var inbjuden föredragshållare på ett internationellt forum förra veckan om den senaste forskningen om antimikrobiell resistens. Händelsen, i Vancouver, Kanada, leddes av representanter för UK Science and Innovation Network, Wellcome Trust och U.S. Centers for Disease Control and Prevention.

Bajs har olika delar - och alla måste behandlas

För att genomföra forskningen, forskare besökte två mjölkgårdar i Upstate New York.

Båda anläggningarna utvinner mycket av det fasta materialet från kogödsel innan det återstående slammet utsätts för högteknologiska avfallshanteringstekniker. För att bearbeta den återstående goop, en gård använder avancerad anaerob matsmältning, som använder mikroorganismer och pastörisering för att bryta ner och omvandla organiskt material till produkter som inkluderar biogas, medan den andra gården använder omvänd osmos, som passerar slammet genom en serie membran för att rena vatten.

Båda teknikerna minskade antibiotikarester i flytande gödsel, men gjorde lite för att minska nivåerna i det kvarvarande fasta materialet. Detta är särskilt oroande eftersom forskningen också avslöjade att antibiotikaföreningar tenderar att migrera från de flytande delarna av gödseln till de fasta ämnena under behandling, vilket gör det utan tvekan viktigare att behandla än det senare.

Oron för fast avföring förstärks av det faktum att behandlingsteknikerna implementeras först efter att de flesta fasta ämnen redan är separerade från den råa gödseln, vilket innebär att huvuddelen av det fasta materialet kan förbli obehandlat.

Några nyckelresultat från varje studie:

• Forskningen om avancerad anaerob matsmältning undersökte en populär klass av antibiotika som kallas tetracykliner, upptäckt att dessa läkemedel och deras nedbrytningsprodukter migrerade från den flytande delen av slammet till den fasta delen under behandlingen. I slutet av processen, de fasta ämnena innehöll högre halter av tetracyklinantibiotika än den ursprungliga rågödseln. Studien fann också att både de flytande och fasta delarna av slammet innehöll gener som ger resistens mot dessa antibiotika.
• Studien om omvänd osmos tittade på hur väl denna vattenreningsteknik tog bort syntetiska antimikrobiella medel som kallas jonoforer, som används för att främja tillväxt hos mjölkkor och för att behandla koccidios, en kostsam, parasitsjukdom i nötkreatursnäringen som drabbar mest unga kalvar. Forskningen fann att omvänd osmos effektivt filtrerade jonoforer från den flytande delen av gödsel. Dock, låga nivåer av läkemedlen kvarstod i "renat" vatten efter behandling på grund av försämringen av membran som används i filtreringsprocessen. Också, fast material som extraherades ur vattnet under omvänd osmos innehöll fortfarande höga halter av jonoforer. Till sist, studien visade att före behandling, många av jonoforerna verkar redan ha migrerat in i den fasta delen av den råa gödseln som tas bort innan den omvända osmosen ens börjar.

"Båda systemen vi studerade är ett bra första steg för att minska spridningen av antibiotika och potentiellt minska resistens i miljön, men vår studie visar att mer måste göras, " säger Aga. "Vi måste titta på olika avfallshanteringsmetoder som, kanske i kombination, kan minska spridningen av antibiotikaföreningar och resistens i miljön."

Aga pekar på kompostering som ett område att utforska. Hennes team studerar hur avancerad anaerob rötning kan användas i samband med kompostering av fasta material för att ta bort antibiotika och deras nedbrytningsprodukter från gödsel. De preliminära resultaten av forskningen, ännu inte publicerat, är lovande, säger Aga.