Dusík je součástí životně důležitých organických sloučenin v mikroorganismech, jako jsou aminokyseliny, bílkoviny a DNA. Plynná forma dusíku (N2), tvoří 78 % troposféry. Mohli bychom si myslet, že to znamená, že máme vždy k dispozici dostatek dusíku, ale bohužel to tak nefunguje. Dusík v plynné formě nemohou rostliny a živočichové vstřebat a využít jako živinu; musí být nejprve přeměněn nitrifikačními bakteriemi, aby mohl vstoupit do potravních řetězců jako součást koloběhu dusíku.
Při přeměně dusíku sinice nejprve přemění dusík na amoniak a amonium, a to během procesu fixace dusíku. Rostliny mohou amoniak využívat jako zdroj dusíku.
Fixace dusíku probíhá podle následující reakce:
N2 + 3 H2 -> 2 NH3
Po fixaci amoniaku se vzniklý amoniak a amonium převedou dále, během procesu nitrifikace. Aerobní bakterie využívají k přeměně těchto sloučenin kyslík. Bakterie Nitrosomonas nejprve přemění plynný dusík na dusitany (NO2-) a následně nitrobakterie přemění dusitany na dusičnany (NO3-), které jsou živinou rostlin.
Nitrifikace probíhá podle následujících reakcí:
2 NH3 + 3O2 – > 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 -> 2 NO3-
Rostliny absorbují amonium a dusičnany během asimilačního procesu, poté se přemění na organické molekuly obsahující dusík, jako jsou aminokyseliny a DNA.
Zvířata nemohou absorbovat dusičnany přímo. Zásoby živin získávají konzumací rostlin nebo živočichů, kteří rostliny konzumují.
Když dusíkaté živiny splní v rostlinách a živočiších svůj účel, zahájí specializované rozkladné bakterie proces zvaný amonifikace, aby je přeměnily zpět na amoniak a ve vodě rozpustné amonné soli. Po přeměně živin zpět na amoniak je anaerobní bakterie přemění zpět na plynný dusík během procesu zvaného denitrifikace.
Denitrifikace probíhá podle následující reakce:
NO3- + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O
Nakonec je dusík opět uvolněn do atmosféry. Po uvolnění začíná celý proces znovu.

Schematické znázornění koloběhu dusíku je uvedeno zde:

Dusík jako limitující faktor

Přestože procesy přeměny dusíku často probíhají a vzniká velké množství rostlinných živin, je dusík často limitujícím faktorem pro růst rostlin. Tuto chybu způsobuje voda proudící napříč půdou. Dusíkaté živiny jsou rozpustné ve vodě, v důsledku čehož jsou snadno odváděny, takže pro rostliny již nejsou k dispozici.

Reakce annamoxu

V roce 1999 vědci z Gist-Brocades v nizozemském Delftu objevili novou reakci, kterou je třeba přidat do koloběhu dusíku; tzv. reakci annamoxu. Nyní bylo zjištěno, že k ní dochází i v Černém moři. Reakce znamená přeměnu dusitanů a amoniaku na čistý plynný dusík (N2), který pak uniká do atmosféry. Mechanismus reakce spouští nově objevená bakterie Brocadia anammoxidans. Zdá se, že jde o kompartmentalizovanou bakterii; v buněčné membráně lze nalézt dva kompartmenty, které jsou rovněž obklopeny membránou, což je velmi vzácný jev. Mezi meziprodukty reakce patřil hydroxylamin a toxické sloučeniny hydrazinu. Bylo zjištěno, že bakteriální membrány se skládají ze špatně propustných membrán, o nichž se předpokládá, že fungují jako bariéra pro hydraziny vznikající uvnitř buňky. Tento objev má závažné důsledky, protože mění celý příspěvek oceánů k dusíkové bilanci.