Kurzfassung Band 67

Prost, Katharina (2017): Steroid biomarkers – new insights for detecting and identifying faecal inputs in archaeological soil material. 

Kurzfassung

Alte Landnutzungssysteme und Siedlungsstrukturen könnten durch Untersuchung konservierten, humusreichen Bodenmaterials rekonstruiert werden, unter der Annahme, dass der Boden ehemaliges, durch Eintrag tierischer und pflanzlicher Rückstände beeinflusstes, Oberbodenmaterial enthält. Meine Hypothese war, dass ehemaliger, durch Eintrag von Fäkalien veränderter Oberboden, chemische Signaturen von Steroidbiomarkern enthält, die zum Detektieren von Fäkalrückständen und zur Identifikation der Fäkalquelle benutzt werden können. Dies setzt jedoch voraus, dass Fäkalsteroidmuster quellenspezifisch sind und weder durch eine Kompostierung der Fäkalien noch nach ihrem Eintrag in den Boden verändert werden. Meine Zielsetzungen bestanden darin, i) zu bewerten, ob Steroide geeignete Marker sind, einen Fäkaleintrag unterschiedlicher Nutztierarten in archäologischem Bodenmaterial zu identifizieren, ii) die Stabilität der Steroide im Zuge der Kompostierung zu bestimmen und iii) die gewonnenen Informationen dazu zu benutzen, eine Fäkaldüngung in neolithischem Oberbodenmaterial zu erkennen. 

Bisher konnten etablierte Grenzwerte für Steroidbiomarker weder das Vorhandensein von Fäkalien in der Umwelt zuverlässig anzeigen noch weiteres Fäkalmaterial - außer dem von Menschen, Schweinen und Herbivoren - unterscheiden. Zur Verbesserung der Steroidanalytik verwendete ich daher erstmals alle bekannten Steroidbiomarker (Δ5-Sterole, 5α-Stanole, 5β-Stanole, Epi-5β-Stanole, Stanone und Gallensäuren). Zur Erreichung meiner Zielsetzungen habe ich i) die Steroidzusammensetzung der Fäkalien alter Nutztierrassen (Rinder, Pferde, Esel, Schafe, Ziegen, Gänse, und Schweine) und des Menschen bestimmt und sie mit einer Literaturübersicht abgeglichen. Weiterhin habe ich ii) die Veränderung der Steroidmuster von Pferde- und Rindermist im Zuge zweier Kompostierungsversuche untersucht und iii) versucht Steroidsignaturen von Nutztieren und Menschen in archäologischem Bodenmaterial unterschiedlichen Alters (Altneolithikum, Mittel- und Jungneolithikum, Bronzezeit, Eisenzeit, Römische Kaiserzeit) zu finden. Zusätzlich zu Steroidbiomarkern wurden eine Vielzahl weiterer Analysemethoden eingesetzt (Bestimmung von Phosphor (P), Schwarzem Kohlenstoff (BC), Aminosäuren, 15N-Isotopie, Mikronährstoffen, und der Bodenfarbe), um eine mögliche Düngung neolithischer Oberböden zu detektieren.

Die Anwendung einer Vielzahl von Steroidbiomarkern sowie bereits etablierter und neu entwickelter Steroidquotienten, ermöglichte eine Detektion und Unterscheidung aller Fäkalien anhand ihrer Steroidmuster (mit Ausnahme von Rinder- und Schaffäkalien). Bemerkenswert war hierbei die eindeutige Identifizierung von Pferdefäkalien (erhöhte Werte der Summe Epi-5β-Stigmastanol / 5β-Stigmastanol + Epicoprostanol / Coprostanol, und Vorhandensein von Chenodesoxycholsäure, CDCA), sowie die erfolgreiche Unterscheidung von Ziegen- (mit CDCA) und Schaffäkalien (ohne CDCA). Identifizierte Steroidsignaturen waren im Boden stabil und konnten so einen römischen Pferdestall, eine Latrine und einen Abwassergraben (0-450 n. Chr.) detektieren. Sogar sehr viel ältere archäologische Funde, wie die Füllungen eines Wasserlochs und zweier Brunnen (5300-389 v. Chr.), wiesen ausreichend hohe Steroidgehalte auf, um ehemalige Fäkaleinträge zu identifizieren. Dabei stimmten die Schlussfolgerungen aus den identifizierten Einträgen mit dem archäologischen Kontext und der Nutztierzusammensetzung der einzelnen Zeitepochen überein.

Bei der Kompostierung von Rindermist waren jedoch alle Steroide weniger stabil als im Boden, erkennbar an einer fast vollständigen Dissipation aller Steroide in den ersten 56 Tagen der Kompostierung. Am deutlichsten war dies nach 168 Tagen an den Gehaltsabnahmen der Gallensäuren und 5β-Stanole zu beobachten (98.6 - 99.9 % bzw. 99.0 -99.6 % relativ zu den Ausgangsgehalten). Diese Ergebnisse stellen die bisherige Annahme, dass Gallensäuren per se abbaubeständiger als andere Steroide sind, in Frage. Im Gegensatz zu Gallensäuren und 5β-Stanolen nahmen die Gehalte der 5α-Stanole und Epi-5β-Stanole langsamer und in geringerem Maße ab. Dadurch war es möglich frischen und kompostieren Mist anhand der Summe der Verhältnisse der Epi-5β-Stanole zu den 5β-Stanolen zu unterscheiden und außerdem den Eintrag kompostierter Fäkalien in den Boden mithilfe dieser Verhältnisse als Fäkaleintrag zu detektiert. 

Anders als bei der beobachteten, schnellen Dissipation der Gallensäuren während der Kompostierung, konnten in ehemaligem neolithischem Oberbodenmaterial nur Gallensäuren aber keine Fäkalstanole und -stanone detektiert werden. Dies bestätigte die angenommene höhere Persistenz der Gallensäuren in der mineralischen Bodenmatrix. Erhöhte Gehalte von Gallensäuren, BC (38% des organischen Kohlenstoffs im Boden), und Pflanzennährstoffen (15N und P), im Vergleich zu den Referenzböden, deuteten so auf eine Düngung ehemaligen Ackeroberbodens mit asche- und fäkalhaltigem Dünger. 

Zusammenfassend ermöglichte eine kombinierte Analytik von 5β-Stanolen, 5α-Stanole, Epi-5β-Stanolen und Gallensäuren eine Identifikation nahezu aller Nutztierfäkalien und kompostierten Mists. Zusätzlich gelang eine Detektion identifizierter Steroidsignaturen von Nutztier- und menschlichen Fäkalien in archäologischem Bodenmaterial, wodurch vermutete Fäkaleinträge bestätigt werden konnten. Besonders die Analytik von Gallensäuren zeigte vielversprechende Ergebnisse, da Gallensäuren selbst in bis zu 7000 Jahre alten Bodenproben eine Fäkaldüngung und somit Bodenverbesserungsmaßnahmen ehemaliger Oberböden anzeigen konnten. Ob eine Düngung im Neolithikum jedoch intentionell erfolgte, ist nicht bekannt. Auch ist eine Rekonstruktion absoluter Düngemengen nicht möglich, da die Dissipation von Steroiden in Mist vor dessen Zugabe zum Boden unbekannt ist, aber bei beginnender Kompostierung potentiell schnell ablaufen kann.

Abstract Band 67

Prost, Katharina (2017): Steroid biomarkers – new insights for detecting and identifying faecal inputs in archaeological soil material.  

Abstract
Ancient land-use systems and settlement structures may be reconstructed by the investigation of preserved, humus-rich soil, which is presumed to be former topsoil material influenced by animal and plant remains. I hypothesized that former topsoil material, altered by the input of faeces, contains chemical signatures of steroid biomarkers, which might not only be used to detect faecal remains but which might even give information on its source. This implies, however, that faecal steroid patterns are source-specific and that they are neither altered in the course of a treatment of faeces (e.g. by composting) nor after burying the faecal material in soil. My objectives were, therefore, i) to assess, if steroids are appropriate markers to identify an input of different livestock faeces in archaeological soil material, ii) to evaluate their stability in course of composting, and iii) to use the information gained to trace residues of manuring with faeces in Neolithic arable topsoil. 

Previous studies on steroid analysis often failed to indicate the presence of faeces in the environment when using established threshold values. Moreover, steroid analysis could only identify faecal remains of humans, pigs and the group of herbivores. To overcome these shortcomings, I included for the first time all common biomarker steroids (Δ5-sterols, 5α-stanols, 5β-stanols, epi-5β-stanols, stanones, and bile acids) in one analysis. To achieve my objectives, I i) analysed the steroid composition of faeces from old livestock breed (cattle, horse, donkey, sheep, goat, goose, and pig) as well as humans and complemented the results with a literature review on faecal steroids. Furthermore, I ii) investigated the change of steroid patterns of horse and cattle manure in two 168-day lasting composting trials, and iii) traced identified steroid signatures of livestock and humans in preserved archaeological soil material of different age (Early Neolithic, Middle and Younger Neolithic, Bronze Age, Iron Age, and Roman Age). In addition to steroid biomarkers, a multitude of different analyses - i.e. phosphorus (P), black carbon (BC), amino acid, 15N isotopy, micronutrients, and soil colour measurements - complemented the analyses to identify a possible manuring of ancient Neolithic fields. 

By combining the analysis of a multitude of steroids and by using both already established and newly developed steroid ratios, I was able to detect and differentiate each kind of human and livestock faeces considered (with the exception of sheep and cattle). Most remarkable was the identification of horse faeces (via enhanced values for the sum of epi-5β-stigmastanol : 5β-stigmastanol + epicopro-stanol : coprostanol, together with the presence of chenodeoxycholic acid, CDCA) and the successful discrimination between goat (with CDCA) and sheep faeces (without CDCA). As the identified steroid signatures were preserved in soil, they confirmed archaeological find categories of a Roman horse stable, a latrine, and a sewer ditch (dating to 0-450 AD). Furthermore, even much older archaeological finds, like fillings of a water hole and two wells (dating from 5300-389 BC) showed steroid contents large enough to allow the identification of faecal inputs. All inputs identified led to conclusions that were consistent with the archaeological context and the livestock composition for each time period.

However, during composting of cattle manure, steroids were less persistent than in soil. All steroids dissipated nearly completely after 56 days. After 168 days, losses were particularly pronounced for bile acids and 5β-stanols (98.6 - 99.9 % and 99.0 -99.6 % relative to initial contents, respectively), which challenges the assumption that bile acids are per se more resistant towards degradation than other steroids. In contrast, 5α-stanols and epi-5β-stanol contents declined less rapidly and to a lesser extent than those of 5β-stanols and bile acids. As a result, composted and fresh farmyard manure could be distinguished by the sum of epi-5β-stanol to 5β-stanol ratios. Furthermore, by means of this sum of ratios an input of composted faeces into soil could still be identified as faecal material. 

In contrast to the rapid dissipation of bile acids in composting material, for Neolithic topsoil material only bile acids but no faecal stanols and stanones could be detected, confirming the assumed larger persistence of bile acids in the soil mineral matrix. In comparison to reference soils, these enhanced contents of bile acids together with larger contents of BC (38% of soil organic carbon) and plant nu-trients (15N and P) indicated a fertilization of the arable topsoil with manure containing faeces and ash.

In conclusion, by combining the analysis of 5β-stanols, 5α-stanols, epi-5β-stanols, and bile acids, most livestock faeces as well as composted farmyard manure could be identified by their steroid patterns. Moreover, the identified steroid signatures of livestock and human faeces could be well detected in archaeological soil material, proving supposed faecal inputs. Particularly bile acid analysis showed promising results, as bile acids indicated even in up to 7000 year old soil samples a manuring with faeces and thus amelioration measures of ancient topsoil. However, whether a manuring in Neolithic times was done intentionally remains unknown. Furthermore, absolute amounts of applied manure cannot be reconstructed, due to an unknown but - under composting conditions - potentially rapid dissipation of steroids in manure prior to its addition into soil.