Molecular Biomarkers in the Biosphere, Geosphere and Archaeosphere

Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

vorgelegt von

Jan Hendrik Weber

Kiel, 2020

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Erster Gutachter: Prof. Dr. Lorenz Schwark Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Volker Thiel Tag der mündlichen Prüfung: 19.06.2020

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Abstract Biomarkers are molecular compounds from a once living organism (plant, microbe or animal), which can be used to trace a specific source organism, a group of organisms, or a particular process in geological and archaeological media. In this thesis, organic geochemical techniques including the biomarker approach and stable isotopes were applied to different research areas of the biosphere, geosphere and archaeosphere to characterise the origin of the organic matter. The biomarkers provide essential knowledge about environmental and climatic changes, and about the diet and rites of ancient cultures. Paleoclimate and associated paleovegetation exert a major influence on present to prehistoric human activities and therefore are of paramount importance to investigate ancient human living conditions. Early reforestation after the last glacial shaped human living space and was dominated by pioneer plants including four birch species. These differ in habitat conditions but their differentiation by palynology poses a problem due to similar pollen shape and size. Here an alternative approach of birch species identification based on their epicuticular wax composition was ascertained for potential application in especially Late Glacial and Holocene sediments. A chemotaxonomic separation of the four Europen birch species based on a suite of wax lipids could be achieved. In addition to previous studies employing recent plant wax n- alkane distribution only, the potential contribution of n-alkanes, which in an ontogentic to diagentic continuum can be released from precursor lipids via secondary and tertiary degradation of n-alkyl esters (and their degradation products like n-alkanoic acids and n- alcohols) were assessed. The early release of bound wax lipids carries a high potential to modulate the pool of free lipids, which should be considered when interpreting wax lipids of potentially mixed origin and their isotopic signatures in soils and sediments. Lake sediment from Lake Steisslingen (SW-) has been investigated to characterise the biotic response of organisms during the Younger Dryas cold period (12,680 – 11,590 BP) at the Pleistocene/Holocene transition. Based on biomarker distributions representing specific organism groups including diatoms, haptophyte algae, heterocyte cyanobacteria, heterotrophic bacteria and terrestrial plants, a separation of the Younger Dryas in three phases was defined. In a second case study, lacustrine sediments from Lake Stymphalia (Peleponnes, Southern Greece) were investigated to study the local environmental and climatic changes between 15,000 to 2,000 a BP. Heterocyte glycolipids (HGs) and glycerol dialkyl glycerol tetraethers (GDGTs) have been applied to characterise the (aquatic) microbial community and to determine paleotemperature changes in the study area. Epicuticular wax lipids yielded information on development of paleovegetation and revealed a human impact on land-use and ecosystem evolution.

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The second part of this PhD thesis deals with the application of biomarkers and their compound-specific carbon isotope values in the archaeosphere. These techniques facilitate reconstructing the diet of past cultures and to trace practisess. Modern animal adipose fats and dairy fats from , , , and from Ukraine can be

13 distinguished by their δ C values of palmitic (C16:0) and stearic (C18:0) acid. These individual fatty acids are also found in vessels from Cucuteni-Trypillia culture, suggesting that most samples are from ruminant animal origin, but also from another potential source such as horses. Beside the animal fats, lipids indicative for beeswax have been detected in the pottery samples from Ukraine and Moldova, but also in ancient ceramic pots from the Wartberg culture of central Germany. Here, the individual lipid composition could be connected to the shape and function of most pots. In archaeological sites from the Baltic in Northern Germany, pottery use based its organic residue content could be compared between everyday use pottery from a domestic dwelling site (Oldenburg-Dannau) and specific grave gift pottery recovered from a nearby megalithic tomb (Wangels). Highly decorated, unglazed ceramic vessels from the Funnelbeaker and were found as intact gifts containing cattle meat and milk fats, but no common cereals or aquatic resources, although located close to the shoreline. Additionally, a fatty acid distribution indicative for Sea Buckthorn oil was found in samples from exclusively the latest burial phase, which may have served as an exclusive burial gift. Contrary, the mainly undecorated pots from the coeval adjacent dwelling site Oldenburg- Dannau contained a mixed composition of plant and milk resources. Thus, the exclusive use of cattle meat in the burial indicate the important role of cattle in the and spiritual sphere of societies in northern Germany.

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Zusammenfassung (German Abstract) Biomarker sind molekulare Verbindungen aus einem ehemals lebenden Organismus (Pflanzen, Mikroben oder Tiere), die zur Bestimmung eines spezifischen Organismus, einer Organismengruppe oder eines bestimmten Prozesses in geologischen und archäologischen Medien verwendet werden können. In dieser Doktorarbeit wurden organisch-geochemische Techniken, einschließlich die Verwendung von Biomarkern und stabilen Isotope, auf verschiedene Forschungsbereiche der Biosphäre, Geosphäre und Archäosphäre angewandt, um die Herkunft des organischen Materials zu charakterisieren. Biomarker liefern ein wesentliches Verständnis über Umwelt- und Klimaveränderungen in der Vergangenheit, sowie über die Ernährung und Riten alter Kulturen. Das Paläoklima und die damit verbundene Paläovegetation üben einen großen Einfluss auf die gegenwärtigen und prähistorischen menschlichen Aktivitäten aus und sind daher von größter Bedeutung für die Erforschung der prähistorischen Lebensbedingungen des Menschens. Die erste Wiederaufforstung nach dem letzten Glazial prägte den menschlichen Lebensraum und wurde von Pionierpflanzen, wie den vier europäischen Birkenarten, dominiert. Diese unterscheiden sich zwar in ihren Lebensraumbedingungen, aber ihre palynologische Differenzierung ist aufgrund der ähnlichen Pollenform und -größe problematisch. Daher wurde in dieser Thesis ein alternativer Ansatz zur Identifizierung von Birkenarten auf der Grundlage ihrer epikutikulären Wachszusammensetzung für eine mögliche Anwendung insbesondere in spätglazialen und holozänen Sedimenten gewählt. Eine chemotaxonomische Trennung der vier europäischen Birkenarten konnte mit Hilfe von unterschiedlichen Wachslipiden erreicht werden. Im Vergleich zu früheren Studien wurde der Schwerpunkt auf den sekundären und tertiären Abbau von n-Alkylestern und deren Abbauprodukten wie n-Fettsäuren und n-Alkoholen gelegt. Die Freisetzung dieser zuvor gebundenen Lipide beeinflusst die Zusammensetzung der bereits freien Lipide signifikant, welches bei der späteren Interpretation von Wachslipiden in Böden und Sedimenten zu berücksichtigen ist. Die Seesedimente des Steißlinger Sees (SW-Deutschland) wurden organisch-geochemisch analysiert, um die biotische Reaktion der Organismen während der Kaltzeit der Jüngeren Dryas (12,680 – 11,590 a BP) am Übergang des Pleistozän/Holozäns zu charakterisieren. Basierend auf der Verteilung von Biomarkern, die spezifische Organismen bzw. Organismengruppen einschließlich heterozyten Cyanobakterien, Diatomeen, haptophyten Algen, Bakterien und terrestrischen Pflanzen repräsentieren, wurde eine Aufteilung der Jüngeren Dryas in drei Phasen definiert. In einer zweiten Studie wurde ein lakustrischer Sedimentkern aus dem Stymphalia See (Peleponnese, Südgriechenland) untersucht, um die lokalen Umwelt- und

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Klimaveränderungen von ca. 15,000 bis 2000 vor heute zu rekonstruieren. Anhand der epikutikulären Wachslipidverteilung im Sedimentkern konnte die Vegetation im Einzugsgebiet des Stymphalia Sees charakterisiert werden und ein menschicher Einfluss in den jüngeren Sedimenten erkannt werden. Zusätzlich wurden heterozyte Glykolipide (HGs) und Glycerol- Dialkyl Glycerol-Tetraethers (GDGTs) zur Charakterisierung der (aquatischen) mikrobiellen Gemeinschaft und zur Bestimmung der Temperaturveränderungen während der letzten ca. 15.000 Jahre in Südgriechenland verwendet. Der zweite Teil dieser Doktorarbeit befasst sich mit der Anwendung von Biomarkern und den Kohlenstoffisotopenwerten individueller Lipide in der Archäosphäre, um die Ernährung vergangener Kulturen und deren Tierhaltung zu rekonstruieren. Moderne tierische Fett- und Milchprodukte von Schwein, Rind, Schaf und Ziege aus der Ukraine lassen sich durch ihre

13 δ C-Werte von Palmitin- (C16:0) und Stearinsäure (C18:0) unterscheiden. Diese Fettsäuren wurden ebenfalls in Keramikgefäßen der Cucuteni-Trypillia-Kultur aus der Ukraine und Moldawiens detektiert. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die meisten Proben Fette von Wiederkäuern enthalten, aber auch von einer unbekannten Quelle, die nicht in den modernen Referenzfetten vorkommend ist. Diese Fette könnten möglicherweise von Pferden stammen. Neben den tierischen Fetten wurden in den Keramikproben aus der Ukraine und Moldawien, aber auch in Töpfen aus Zentraldeutschland der Wartbergkultur eine Lipidsignatur detektiert, die für Bienenwachs indikativ ist. In den letztgenannten Proben der Wartbergkultur konnte zusätzlich die individuelle Lipidzusammensetzung mit der Form und Funktion der meisten Töpfe in Verbindung gebracht werden. Die Verwendung von Alltagskeramik aus einer häuslichen Wohnstätte (Oldenburg-Dannau) aus dem Ostseeraum Norddeutschlands wurde mit Keramikgefäßen aus einem nahegelegenen Megalithgrab (Wangels) verglichen. Im Grab wurden primär reichlich verzierte und ornamentierte Keramikgefäße aus der Trichterbecher- und Kugelamphoren-Kultur Norddeutschlands hauptsächlich als intakte Grabbeigaben gefunden. Diese Gefäße enthielten hauptsächlich Rinderfette und Milchprodukte, jedoch kein Getreide oder aquatischen Produkte, obwohl der Fundplatz nahe der Küste lag. Zusätzlich wurde in Proben aus der letzten Bestattungsphase eine Fettsäureverteilung gefunden, die auf Sanddornöl hinweist, welches als exklusive und wertvolle Grabbeigabe gedient haben könnte. Im Gegensatz dazu enthielten die überwiegend schlicht ornamentierten Gefäße aus der benachbarten, gleichaltrigen Siedlung Oldenburg-Dannau eine gemischte Zusammensetzung aus Pflanzen- und Milchprodukten. Die ausschließliche Verwendung von Rinderfetten in den Grabbeigaben deutet somit auf die wichtige Rolle des Rindes in der rituellen und spirituellen Sphäre der neolithischen Gesellschaften in Norddeutschland hin.

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