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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.

 
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