Biomarkers in Lake Albano and Lake Constance sediment records : implications for palaeoclimate and palaeoenvironment

  • The biomarker record in two different lakes in central Europe, Lake Albano and Lake Constance, is used to reflect environmental changes and lake system response during the Late Glacial and Holocene. Extractable organic compounds in lake sediments, which can be assigned to their biological source (biomarkers) function as fingerprints of past aquatic or land plant organisms. Using gas chromatography coupled with mass spectrometry, 21 different biomarkers (predominantly steroids and triterpenoids) as well as a variety of n-alkanes, nalkanols, and n-alkanoic acids could be identified in the sediment records of Lake Albano and Lake Constance. In the Holocene sediments of Lake Albano, the distribution of biomarkers such as dinosterol (dinoflagellates), isoarborinol, and diplopterol (aquatic organisms) indicate three biomarker zones: The period between 0-3,800 years BP (zone 3) is characterized by high concentrations of these biomarkers and others such as tetrahymanol and diploptene. Conversely, zone 2 (3,800-6,500 years BP) shows very low concentrations of all autochthonous biomarkers. In zone 1 (6,500–11,480 years BP), dinosterol, isoarborinol, and diplopterol range on a relatively high level, whereas diploptene and tetrahymanol display comparatively low concentrations. The results suggest at least two distinct changes in the predominance of primary producers during the Holocene, which are related to changes in the lake system such as lake mixing and water column stratification. This interpretation is consistent with previous investigations of Lake Albano sediments including pigment and hydrogen index data (Ariztegui et al., 1996b; Guilizzoni et al., 2002). Allochthonous biomarkers such as long-chain n-alkanes, amyrenones and friedelin indicate a development from forest to a more open landscape from 6,000 and 5.000 years BP, respectively. After a period of high concentrations during the first half of the Holocene, all biomarkers derived from deciduous trees exhibit relatively low values until around 1,000 years BP. Again, this is consistent with results from previous pollen investigations (Ariztegui et al., 2000). The sediment core from Upper Lake Constance comprises the Late Glacial and Holocene. It was analysed for biomarkers and inorganic tracers in order to compare the biomarker results with other proxy data from the same core. Magnetic susceptibility (MS) was measured to get a high-resolution stratigraphic framework of the core and to obtain further information about changes of the proportions of allochthonous and autochthonous input. Enhanced concentrations and accumulation rates of dinosterol (biomarker for dinoflagellates) and biogenic calcite give evidence of increasing lake productivity at the beginning of the Holocene followed by a decrease in bioproductivity after around 7,000 years BP. Younger Dryas sediments are characterized by low amounts of both dinosterol and biogenic calcite indicating a low productivity. The comparison of the concentrations and accumulation rates of b-sitosterol and stigmastanol with parameters reflecting lake productivity suggests that both steroids in Lake Constance sediments are mainly derived from terrigenous sources. Biomarkers as well as concentrations and accumulation rates of allochthonous inorganic compounds such as titanium, magnesium and strontium indicate a slightly enhanced allochthonous input after 8,500 years BP. Significant increase of erosive matter input from enhanced soil erosion is not observed before 4,000 years BP. This can be attributed to the combined effects of precipitation increase as a result of climatic deterioration and anthropogenic deforestation which is consistent with observations from other lakes in Central Europe. The MS record of Lake Constance confirms these results by tracing the climatically induced shifts of more intense bioproduction (low MS caused by increased calcite deposition) during the ‘climatic optimum’. This is followed by increasing input of terrigenous sediment compounds during colder and wetter periods which lead to higher MS values in the lake sediments. The occurrence of tetrahymanol in Lake Constance sediments questions the unambiguous use of tetrahymanol as an indicator for water column stratification. Anaerobic organic macroaggregates within the oxygenated, photic zone of the water column have to be considered as a possible living space for anaerobic microorganisms containing tetrahymanol. The direct comparison of two very different lakes Albano and Constance with respect to biomarkers indicating climate or environmental change provides a contribution to the recent biomarker research for a better understanding of biomarkers in lacustrine sediments.
  • Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms „Wandel der Geo-Biosphäre während der letzten 15.000 Jahre“ am Institut für Mineralogie-Umweltanalytik der Universität Frankfurt. Sedimente aus dem Bodensee (Voralpen) und dem Albaner See (Latium, Mittelitalien) wurden auf ihre Biomarker-Zusammensetzung untersucht, um die Beeinflussung dieser beiden unterschiedlichen Seesysteme durch sich ändernde Umweltbedingungen im Spätglazial und Holozän auf molekularer Ebene nachzuzeichnen. Der Albaner See ist ein relativ kleiner (6 m2), meromiktischer Maarsee in den Albaner Bergen, 25 km südöstlich von Rom. Es handelt sich um ein hydrologisch geschlossenes Seesystem (Zufluss nur über Grundwasser, Regenwasser und Interflow) mit einem kleinen Einzugsgebiet (3,68 m2). Die lange Wasseraufenthaltszeit (ca. 40 Jahre), ganzjährige anoxische Bedingungen in der Wassersäule unterhalb von 60 m Wassertiefe und die hohe Produktivität (mesoeutroph) bedingen eine relativ hohe Konzentration von organischer Substanz im Sediment (4-8%). Die Sedimente (72 Proben) aus dem Albaner See stammen aus einem Kern (P.Alb94-3A), der für ein vorangegangenes EU-Projekt (PALICLAS: Palaeoenvironmental Analysis of Italian Crater Lake and Adriatic Sediments) erbohrt wurde und das gesamte Holozän umfasst. Von diesem und benachbarten Kernen gibt es eine Fülle von Proxy-Daten in Bezug auf Herkunft der organischen Substanz (Wasserstoff-Index), Zusammensetzung von Algenvergesellschaftungen (Pigmente, Algenreste) und Mischungsverhalten des Sees (Pigmente von anaeroben Organismen) (Guillizoni und Oldfield, 1996; Ariztegui et al., 2001; Guillizoni et al., 2002). Diese boten die Möglichkeit, die Resultate aus den Biomarker-Analysen mit anderen Proxies zu vergleichen. Der Bodensee mit einer Wasseroberfläche von 539 km2 ist dagegen durch einen wesentlich geringeren Anteil an organischer Substanz charakterisiert (0,5-1,5 %). Die geringere Produktivität (oligotrophe Verhältnisse bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts), eine Aufenthaltszeit des Wassers von nur 3-5 Jahren (Zu- und Abfluss des Rheins) und die Sauerstoffversorgung der Wassersäule bis zum Sediment durch die jährliche, vollständige Durchmischung (Monomixie) liefern schlechtere Erhaltungsbedingungen für die organische Substanz im Vergleich zum Albaner See. Die Sedimentation ist aufgrund der hohen Stofffrachten in den Zuflüssen, die das 6.119 km2 große Einzugsgebiet entwässern (v.a. der Alpen Rhein), weit mehr von terrigenem Eintrag beeinflusst als die Sedimente des Albaner Sees. Die Sedimente des Bodensees wurden in einer Bohrkampagne in Zusammenarbeit mit dem Limnologischen Institut der Universität Konstanz und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover, mittels eines Tiefsee-Kolbenlots erbohrt. Es konnten 3 Kerne von 9, 8 und 7 m gewonnen werden, die den Zeitraum der letzten 16.000 Jahre umfassen. Das Schwankungsmusters der gemessenen magnetischen Suszeptibilität im gesamten Kern erlaubte eine Parallelisierung mit früher untersuchten Kernen (Wessels, 1995). Durch einige 14C-Datierungen, Warvenzählungen in den pleistozänen Sedimenten und der Zuordnung von sichtbaren Hochwasserlagen im Sedimentkern zu bekannten, datierten Hochwasserereignissen (Wessels, 1998) konnten weitere chronologische Datenpunkte bestimmt werden. Basierend auf diesen chronologischen Datenpunkten wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Altersmodell erstellt. Für die Biomarker-Analysen wurden 47 Proben aus Kern Bo97/14 entnommen, dessen Sedimente den Zeitraum von 15,000 bis 650 YBP (years before present = Jahre vor 1950) relativ ungestört und vollständig wiedergeben. Die Entwicklungsgeschichte des Bodensees ist in der Literatur ausführlich beschrieben (z.B. Züllig, 1982; Wessels, 1995; Güde et al., 1998), es lagen aber keine Proxy-Daten für den hier verwendeten Sedimentkern vor. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit an den Bodensee-Sedimenten zusätzlich eine Reihe von Daten der anorganischen Komponenten im Sediment ausgewertet, die Rückschlüsse auf Produktivität und Eintrag allochthonen terrigenen Materials geben können. Für die Biomarker-Analysen wurde die organische Substanz in den Sedimenten mit Dichlormethan und Methanol mehrfach extrahiert. Die Extrakte des Albaner Sees konnten aufgrund der höheren Extraktausbeute (höherer Anteil an organischer Substanz) sowohl als Gesamtextrakte analysiert als auch mittels Säulenchromatographie in Alkan-, Aromaten-/Ketonfraktion und polare Fraktion aufgetrennt werden. Die Bodensee-Extrakte wurden ausschließlich als derivatisierter Gesamtextrakt gemessen. Mittels Gaschromatographie gekoppelt an Massenspektrometrie wurden in den Proben einzelne Komponenten identifiziert und über die gesamten Sedimentprofile quantifiziert. Die Identifizierung erfolgte über den Vergleich mit veröffentlichten Massenspektren und relativen Retentionszeiten sowie über die Wiley Library; die Quantifizierung über interne Standards. Die organische Substanz beider Seen wurde auf ihre Biomarker untersucht, die Aufschluss über Veränderungen im See und innerhalb seines Einzugsgebiets im Spätglazial und Holozän geben können und somit Indizien für die Klimaentwicklung liefern. Die ursprünglich geplante Suche nach einem quantitativen Klimaanzeiger konnte nicht verwirklicht werden. Langkettige Alkenone, die sich v.a. im marinen Bereich und in salzhaltigen Seen als Temperaturanzeiger im Oberflächenwasser bewährt haben (z.B. Thiel et al., 1997), konnten in beiden Seen nicht nachgewiesen werden. Ebenso konnten verschiedene Ansätze aus der Literatur, mit Hilfe des Verhältnisses von der 2-fach ungesättigten Fettsäure C18:2 zur gesättigten C18:0 Rückschlüsse auf die Umgebungstemperatur zu erhalten (Kawamura und Ishiwatari, 1981), nicht angewendet werden. Die in den Sedimenten enthaltenen Biomarker liefern jedoch eine Reihe von Ergebnissen über die Primärproduzenten- Vergesellschaftung im See und das Mischungsverhalten des Sees in Abhängigkeit von klimatischen Veränderungen sowie Veränderungen im Einzugsgebiet der Seen (Erosion, Entwaldung) durch klimatische und/oder menschliche Einflüsse.

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Metadaten
Author:Sabine Hanisch
URN:urn:nbn:de:hebis:30-47811
Place of publication:Frankurt am Main
Referee:Wilhelm Püttmann, R. Schleyer
Advisor:Wilhelm Püttmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2007/08/22
Year of first Publication:2004
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2004/01/09
Release Date:2007/08/22
GND Keyword:Albaner See; Seesediment; Biomarker; Paläoklimatologie; Bodensee
Page Number:169
First Page:1
Last Page:102
Note:
Diese Dissertation steht leider (aus urheberrechtlichen Gründen) nicht im Volltext im WWW zur Verfügung, die CD-ROM kann (auch über Fernleihe) bei der UB Frankfurt am Main ausgeliehen werden.
HeBIS-PPN:316311707
Institutes:Geowissenschaften / Geographie / Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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