Biomineralisation and biogeochemical mobility of chemical elements: phytolith dissolution and its implications in geoarchaeology

Abstract

A growing amount of research has been done on biominerals produced in plant tissues, microscopic SiΟ2-rich phytoliths included, because of the useful information they may provide on the natural and the anthropogenic environment. The relationship between nature and humanity is fundamental in archaeological interpretation. Environmental changes are associated with biogeochemical processes and with chemical element mobility in soil horizons, and the understanding of such processes is crucial for the comprehensive study of archaeological materials. Phytoliths are produced through biomineralisation processes that take place in most plant species, and they are eventually released in soils and sediments after the decomposition or/and burning of the plant material. Cereals, and especially wheat (Triticum spp.), produce great quantities of SiO2-rich phytoliths and and their impact on human economies over time has been well documented. Biogenic silicon (bSiO2) is the earliest known natural bioskeleton and its unique physicochemical properties make it a suitable material for a wide range of applications in the geosciences and archaeology. Even though the biogeochemical cycle of silicon has been studied extensively, most existing studies have restricted their focus on diatoms. Despite the study of phytoliths being an internationally emerging field, scientific interest has remained limited mainly to their systematic classification and morphometry. In particular, in the context of Greece and Cyprus, it is only the last decade that their significance has been acknowledged. Despite the significant contributions having been made in this area, recent studies on SiΟ2-rich phytoliths have not put enough emphasis on the investigation of phytolith stability in relation to the biogeochemical depositional environment and on the preservation of their morphotypes, relating it to important environmental parameters such as soil pH, temperature and water availability. Furthermore, the degree in which the presence of other chemical elements affect the dissolution of biogenic silicon, and therefore affecting phytolith preservation in soils and sediments, has been scarcely covered. Preservation status is one of the most important factors for the reliable interpretation of phytolith morphotypes. In most studied cases, the mineralogical or/and chemical composition of phytoliths is affected by a variety of morphological alterations that have been caused by in situ taphonomic or/andlaboratory processes during their lifespan. The present doctoral thesis aims to make a contribution to the research lack outlined above and to expand this field of study. In particular, the dissolution mechanism of phytoliths is investigated in relation to variations of pH, temperature and time, by the means of long-term batch experiments. Moreover, the mobility of silicon (Si) and 7 other main and trace chemical elements (K, Mg, Al, Ca, Fe, Sr, Ba) is being studied with the use of Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS), and visualised with MATLAB software. In addition, a multi-analytical characterisation of phytoliths was performed in order to understand their microstructure and behaviour after their extraction from plants by means of two conventional methods: the dry and the wet ashing method. For the high resolution characterisation of phytoliths extracted from either the entire plant (excluding the roots) or different parts of the plant, the inflorescence and the stems-leaves; a variety of analytical techniques were employed, including powder X-Ray Diffraction (XRD), Energy Dispersive X-Ray Fluorescence spectrometry (ED-XRF), Fourier-Transform Infrared spectroscopy (FTIR), Thermogravimetric and Differential Thermogravimetric Analysis (TGADTGA), elemental (Carbon-Hydrogen-Nitrogen-Sulphur) analysis (CHNS), Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM/EDS), optical microscopy and photomicrography. The quantification of morphotypes for phytoliths originating in the plants (counting at least 250 phytoliths per microscope slide and morphological classificating according to form, texture and anatomical origin (on the basis of the International Code for Phytolith Nomenclature) was carried out both before and after dissolution, and visualised using the python programming language. Phytoliths from soils and archaeological sediments were also extracted. Furthermore, the integrated use of microscopy and photogrammetry for the three-dimensional (3D) representation of biominerals was proposed as a useful tool in geoarchaeology. The laboratory analyses took place at the Technical University of Crete (School of Mineral Resources Engineering and School of Environmental Engineering), the American School of Classical Studies at Athens (Malcolm H. Wiener Laboratory for Archaeological Science) and the British School at Athens (Fitch Laboratory). The studied phytoliths were parts of three sample groups: (1) ''modern'' wheats (Triticum monococcum/Triticum durum) from five organic crops in Greece (Crete, Volos, Corfu and Pella) and one conventional crop in Cyprus (Pafos), (2) the corresponding soils for these samples, and (3) archaeological sediments from three nearby the cultivations archaeological sites in Greece (Knossos Crete, Palea Castle Volos and Toumba Thessaloniki). The comprehensive mineralogical and biogeochemical study contributes to the understanding of the geochemical cycle of silicon and to geoarchaeological research, through the insights gained on the post-depositional alterations that SiΟ2-rich phytoliths are subjected to over time, and how this relates to the mobility of other soil elements. Furthermore, the mineralogical and chemical composition of the recovered phytoliths is controlled by the extraction method, strongly suggesting that comparison of phytoliths extracted from plants is meaningful only if the method of extraction remains the same. Physicochemical characteristics of fresh phytoliths extracted from plants provided useful information on their preservation state after laboratory processing, that may further contribute to the study of aged phytoliths. Dimensional characteristics and texture of the majority of the phytoliths changed with rising pH and temperature, suggesting that longcells dendritic morphotypes may alter to long cells echinates or/and to long cells verrucates morphotypes. Moreover, this study provided information about phytoliths characteristics after burning. Phytoliths obtained from plants using the dry method of extraction here are therefore suitable for fire incidents with implications to archaeology. The overall physicochemical characterisation of phytoliths may further contribute to the interpretation of phytolith assemblages from paleontological, archaeological and ethnographical contexts for the diachronic study of human-plant interactions.

Αυξανόμενο πλήθος ερευνών έχει γίνει σε βιοορυκτά που παράγονται σε φυτικούς ιστούς, συμπεριλαμβανομένων των μικροσκοπικών φυτολίθων πλούσιων σε SiΟ2, λόγω των χρήσιμων πληροφοριών που μπορούν να προσφέρουν για το φυσικό και το ανθρωπογενές περιβάλλον. Η σχέση ανάμεσα στη φύση και στην ανθρωπότητα είναι θεμελιώδης στην αρχαιολογική ερμηνεία. Οι περιβαλλοντικές αλλαγές συνδέονται με τις βιογεωχημικές διεργασίες και την κινητικότητα των χημικών στοιχείων στους εδαφικούς ορίζοντες, και η κατανόηση αυτών των διαδικασιών είναι ζωτικής σημασίας για τη διεξοδική μελέτη των αρχαιολογικών υλικών. Οι φυτόλιθοι παράγονται μέσω διεργασιών βιοορυκτοποίησης που λαμβάνουν χώρα στα περισσότερα φυτικά είδη και απελευθερώνονται τελικά στα εδάφη και ιζήματα μετά την αποσύνθεση ή/και την καύση του φυτικού υλικού. Τα δημητριακά, και ιδιαίτερα το σιτάρι (Triticum spp.), παράγουν μεγάλες ποσότητες φυτολίθων πλούσιων σε SiΟ2 και η συμβολή τους στην ανθρώπινη οικονομία κατά την πάροδο του χρόνου έχειτεκμηριωθεί καλά. Το βιογενές πυρίτιο (bSiO2) είναι το παλαιότερο γνωστό φυσικό βιοορυκτό και οι μοναδικές φυσικοχημικές του ιδιότητες, το καθιστούν κατάλληλο υλικό για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στις γεωεπιστήμες και στην αρχαιολογία. Παρόλο που ο βιογεωχημικός κύκλος του πυριτίου έχει μελετηθεί εκτεταμένα, οι περισσότερες υπάρχουσες μελέτες έχουν περιορίσει την εστίαση τους στα διάτομα. Αν και η μελέτη των φυτολίθων αποτελεί διεθνώς αναδυόμενο τομέα, το επιστημονικό ενδιαφέρον παρέμεινε περιορισμένο κυρίως στη συστηματική ταξινόμηση και στη μορφομετρία τους. Ειδικότερα στο πλαίσιο της Ελλάδας και της Κύπρου, μόνο την τελευταία δεκαετία έχει αναγνωριστεί η σημασία τους. Παρά τις σημαντικές συνεισφορές που έγιναν στον τομέα αυτό, οι πρόσφατες μελέτες φυτολίθων πλούσιων σε SiΟ2 δεν έδωσαν αρκετή έμφαση στη διερεύνηση της σταθερότητας φυτόλιθων σε σχέση με το βιογεωχημικό περιβάλλον απόθεσης και στη διατήρηση των μορφοτύπων τους, συσχετίζοντας σημαντικές περιβαλλοντικές παραμέτρους, όπως το pH του εδάφους, τη θερμοκρασία και την υδατική διαθεσιμότητα. Επιπλέον, ο βαθμός στον οποίο η παρουσία άλλων χημικών στοιχείων επηρεάζει τη διαλυτοποίηση του βιογενούς πυριτίου, και ως εκ τούτου επηρεάζει τη διατήρηση των φυτολίθων στα εδάφη και τα ιζήματα έχει καλυφθεί ελάχιστα. Η κατάσταση διατήρησης τους είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες για την αξιόπιστη ερμηνεία των μορφοτύπων των φυτολίθων. Στις περισσότερες περιπτώσεις που έχουν μελετηθεί, η ορυκτολογική ή/και χημική σύνθεση των φυτολίθων επηρεάζεται από μια ποικιλία μορφολογικών μεταβολών που έχουν προκληθεί από in situ ταφονομικές ή/και εργαστηριακές διεργασίες κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει να συνεισφέρει στα προαναφερόμενα ερευνητικά κενά και να επεκτείνει το γνωστικό τομέα. Συγκεκριμένα, ο μηχανισμός διαλυτοποίησης των φυτολίθων ελέγχεται σε σχέση με τις μεταβολές του pΗ, της θερμοκρασίας και του χρόνου, με τη βοήθεια μακροχρόνιων πειραμάτων διαλείποντος έργου. Επίσης, η κινητικότητα του πυριτίου (Si) και 7 άλλων κύριων στοιχείων και ιχνοστοιχείων (K, Mg, Al, Ca, Fe, Sr, Ba) μελετάται με φασματομετρία μάζας επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος (ICP-MS), και απεικονίζεται με το λογισμικό MATLAB. Επιπλέον, διεξήχθη ένας πολυαναλυτικός χαρακτηρισμός φυτολίθων, προκειμένου να κατανοηθεί η μικροδομή και η συμπεριφορά τους μετά την εξαγωγή τους από τα φυτά με δύο συμβατικές μεθόδους: τη μέθοδο ξηρής και υγρής καύσης. Για τον υψηλής ανάλυσης χαρακτηρισμό φυτολίθων που εξάγονται είτε από ολόκληρο το φυτό (μη συμπεριλαμβανομένων των ριζών) ή από διάφορα μέρη του φυτού, την ταξιανθία και τα στελέχη-φύλλα; χρησιμοποιήθηκαν διάφορες αναλυτικές τεχνικές, συμπεριλαμβανομένης της περίθλασης ακτίνων-Χ κόνεως (XRD), φασματομετρίας φθορισμού ακτίνων-Χ με ενεργειακή διασπορά (ED-ΧRF), φασματοσκοπίας υπερύθρου μετασχηματισμού-Fourier (FTIR), θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης (TGA-DTGA), στοιχειακής (άνθρακα-υδρογόνου-αζώτου-θείου) ανάλυσης (CHNS), ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης με φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς (SEM/EDS), οπτικής μικροσκοπίας και φωτομικρογραφίας. Η ποσοτικοποίηση των μορφοτύπων των φυτολίθων που προέρχονται από τα φυτά (μετρώντας τουλάχιστον 250 φυτόλιθους ανά αντικειμενοφόρο πλάκα και μορφολογικά ταξινομώντας σύμφωνα με τη φόρμα, την υφή και την ανατομική προέλευση (βάσει του Διεθνούς Κώδικα Ονοματολογίας των Φυτολίθων) πραγματοποιήθηκε τόσο πριν όσο και μετά τη διαλυτοποίηση, και οπτικοποιήθηκε με τη χρήση της γλώσσας προγραμματισμού python. Εξήχθησαν επίσης φυτόλιθοι από τα εδάφη και τα αρχαιολογικά ιζήματα. Επιπρόσθετα, η ολοκληρωμένη χρήση μικροσκοπίας και φωτογραμμετρίας για την τρισδιάστατη (3D) αναπαράσταση των φυτολίθων προτάθηκε ως χρήσιμο εργαλείο στη γεωαρχαιολογία. Οι εργαστηριακές αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν στο Πολυτεχνείο Κρήτης (Σχολή Μηχανικών Ορυκτών Πόρων και Σχολή Μηχανικών Περιβάλλοντος), στην Αμερικανική Σχολή Κλασικών Σπουδών στην Αθήνα (Εργαστήριο Αρχαιολογικών Ερευνών Malcolm H. Wiener) και στη Βρετανική Σχολή Αθηνών (Εργαστήριο Fitch). Οι φυτόλιθοι που μελετήθηκαν προέρχονταν από τρεις ομάδες δειγμάτων: (1) ''σύγχρονοι'' σίτοι (Triticum monococcum/Triticum durum) από πέντε βιολογικές καλλιέργειες στην Ελλάδα (Κρήτη, Βόλος, Κέρκυρα και Πέλλα) και μία συμβατική καλλιέργεια στην Κύπρο (Πάφος), (2) εδάφη που αντιστοιχούν με αυτά τα δείγματα, και (3) αρχαιολογικά ιζήματα από τρεις αρχαιολογικούς χώρους στην Ελλάδα (Κνωσός Κρήτη, Κάστρο Παλαιών Βόλου και Τούμπα Θεσσαλονίκης) που γειτνιάζουν με τις καλλιέργειες. Η εκτεταμένη ορυκτολογική και βιογεωχημική μελέτη συμβάλλει στην κατανόηση του γεωχημικού κύκλου του πυριτίου και στη γεωαρχαιολογική έρευνα, μέσω των πληροφοριών που έχουν αποκτηθεί, σχετικά με τις μετα-αποθετικές μεταβολές που οι πλούσιοι σε SiΟ2 φυτόλιθοι υφίστανται με την πάροδο του χρόνου, και τον τρόπο με τον οποίο αυτές σχετίζονται με την κινητικότητα άλλων στοιχείων στο έδαφος. Επιπρόσθετα, η ορυκτολογική και χημική σύνθεση των ανακτηθέντων φυτολίθων ελέγχεται με τη μέθοδο εξαγωγής, υποδεικνύοντας έντονα ότι η σύγκριση των φυτολίθων που λαμβάνονται από τα φυτά έχει νόημα μόνο εάν η μέθοδος εξαγωγής παραμένει η ίδια. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των φρέσκων φυτολίθων που εξήχθησαν από τα φυτά παρείχαν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση διατήρησης τους μετά από εργαστηριακή επεξεργασία, γεγονός που μπορεί να συμβάλλει περαιτέρω στη μελέτη των ηλικιωμένων φυτολίθων. Τα χαρακτηριστικά των διαστάσεων και της υφής της πλειοψηφίας των φυτολίθων αλλάξαν με την αύξηση του pH και της θερμοκρασίας, υποδεικνύοντας ότι οι επιμήκεις δενδροειδείς μορφότυποι μπορούν να τροποποιηθούν σε επιμήκεις ακανθώδεις ή/και επιμήκεις ανάγλυφους μορφότυπους. Επιπρόσθετα, η μελέτη προσέφερε πληροφορίες σχετικά με τα χαρακτηριστικά των φυτολίθων μετά από καύση. Οι φυτόλιθοι που λήφθηκαν από τα φυτά με τη χρήση της ξηρά μεθόδου εξαγωγής είναι συνεπώς κατάλληλοι για περιστατικά φωτιάς με εφαρμογές στην αρχαιολογία. Ο συνολικός φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των φρέσκων φυτολίθων μπορεί να προσφέρει περαιτέρω στην ερμηνεία φυτολιθικών συνόλων από παλαιοντολογικά, αρχαιολογικά και εθνογραφικά πλαίσια για τη διαχρονική μελέτη των αλληλεπιδράσεων ανθρώπου-φυτού.