根據勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和北亞利桑那大學的研究人員在《自然通訊》上發表的新發現，在整個地球上的生態系統中發現的僅僅幾個細菌群體就負責土壤中一半以上的碳循環。新的研究表明，儘管在從四個不同的生態系統收集的野生土壤中發現了多種多樣的微生物分類群，但在這些生態系統中常見的只有三到六組細菌負責大部分的土壤碳消耗。
土壤中的碳含量是地球上所有植被的兩倍，因此預測碳是如何儲存在土壤中並作為二氧化碳釋放是了解未來氣候動態的一個關鍵計算。該研究小組包括來自太平洋西北國家實驗室（PNNL）、馬薩諸塞大學-阿默斯特分校和西弗吉尼亞大學的科學家，他們正在詢問在地球系統和氣候模型中應如何考慮這種關鍵的細菌過程。
LLNL科學家Jennifer Pett-Ridge說：”在用葡萄糖改良的土壤中，使用葡萄糖衍生的碳最多的細菌也是使用最多土壤原生碳的細菌，這意味着一小部分關鍵分類群的行為可能會影響系統的整體碳平衡”，她是該論文的共同作者，也是LLNL研究土壤微生物組的DOE科學重點領域的負責人。”繪製通過不同微生物群體的碳流圖對於開發對分類敏感的土壤碳模型至關重要，這可能會減少氣候變化預測的不確定性。”
北亞利桑那大學生態系統科學與社會中心的博士后研究員Bram Stone領導了這項研究，現在在太平洋西北國家實驗室工作。”但我們的數據表明，當涉及到像土壤呼吸這樣的重要功能時，土壤群落中可能有很多冗餘的內容。是一些常見的、豐富的行為者在發揮最大的作用。”
這些細菌：布拉氏菌、酸桿菌RB41和鏈黴菌–在利用現有的土壤碳和添加到土壤中的營養物質方面比它們較罕見的同行的效率要高得多。當碳和氮被添加到土壤中時，這些已經佔主導地位的細菌品系鞏固了它們對養分的控制，相對於其他存在的分類群，它們吞噬得更多，生長得更快。儘管研究人員確定了數千種獨特的生物，以及數百個不同的屬（物種集合），但只有六個屬需要佔到50%以上的碳使用量，而只有三個屬需要對養分增加的土壤中一半以上的碳使用量負責。
Pett-Ridge和LLNL的Steven Blazewicz和研究小組使用標有重氧同位素（18O）的水作為示蹤劑，對土壤樣本中發現的DNA進行測序，跟蹤氧同位素以觀察哪些分類群將其納入它們的DNA，這是一個表明生長的信號。這種被稱為定量穩定同位素探測（qSIP）的技術使科學家能夠在單個分類群的水平上跟蹤哪些細菌在野生土壤中生長。然後，研究小組對每個分類群的丰度進行核算，並對細菌消耗土壤碳的效率進行建模。包括分類學特異性、基因組大小和生長的模型對測量的二氧化碳釋放量的預測比只看每個細菌群的丰度的模型要準確得多。它還顯示，只有少數分類群體產生了研究人員觀察到的大部分二氧化碳。
PNNL微生物組科學團隊負責人、該研究的共同作者Kirsten Hofmockel說：”更好地了解單個生物體如何促進碳循環，對管理土壤肥力和減少氣候變化預測的不確定性具有重要意義。這項研究將土壤微生物的分類和功能多樣性分開，並要求我們以一種新的方式考慮生物多樣性。”