Stikstof er en del af vigtige organiske forbindelser i mikroorganismer, såsom aminosyrer, proteiner og DNA. Den gasformige form af nitrogen (N2) udgør 78 % af troposfæren. Man kunne tro, at det betyder, at vi altid har masser af kvælstof til rådighed, men sådan fungerer det desværre ikke. Kvælstof i gasform kan ikke optages og bruges som næringsstof af planter og dyr; det skal først omdannes af nitrificerende bakterier, så det kan indgå i fødekæderne som en del af kvælstofkredsløbet.
Ved omdannelsen af kvælstof omdanner cyanobakterier først kvælstof til ammoniak og ammonium under kvælstoffikseringsprocessen. Planter kan bruge ammoniak som kvælstofkilde.
Stikstoffiksering foregår i henhold til følgende reaktion:
N2 + 3 H2 -> 2 NH3
Efter ammoniumfiksering vil den ammoniak og det ammonium, der dannes, blive overført yderligere, under nitrifikationsprocessen. Aerobiske bakterier bruger ilt til at omdanne disse forbindelser. Nitrosomonas-bakterier omdanner først kvælstofgas til nitrit (NO2-), og efterfølgende omdanner nitrobacter nitrit til nitrat (NO3-), som er et plantenæringsstof.
Nitrifikation foregår i henhold til følgende reaktioner:
2 NH3 + 3O2 – > 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 -> 2 NO3-
Planter optager ammonium og nitrat under assimilationsprocessen, hvorefter de omdannes til kvælstofholdige organiske molekyler, såsom aminosyrer og DNA.
Dyr kan ikke optage nitrat direkte. De får deres næringsstofforsyning ved at spise planter eller planteforbrugende dyr.
Når kvælstofnæringsstoffer har tjent deres formål i planter og dyr, starter specialiserede nedbrydende bakterier en proces kaldet ammonificering, hvor de omdanner dem tilbage til ammoniak og vandopløselige ammoniumsalte. Når næringsstofferne er omdannet tilbage til ammoniak, vil anaerobe bakterier omdanne dem tilbage til kvælstofgas under en proces, der kaldes denitrifikation.
Denitrifikation foregår i henhold til følgende reaktion:
NO3- + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O
Sluttelig frigives kvælstof til atmosfæren igen. Hele processen starter forfra efter frigivelsen.

En skematisk fremstilling af kvælstofkredsløbet er vist her:

Kvælstof som en begrænsende faktor

Selv om kvælstofomdannelsesprocesserne ofte finder sted, og der produceres store mængder plantenæringsstoffer, er kvælstof ofte en begrænsende faktor for plantevækst. Vand, der strømmer over jorden, forårsager denne fejl. Kvælstofnæringsstoffer er vandopløselige, og som følge heraf drænes de let væk, så de ikke længere er tilgængelige for planter.

Annamox-reaktionen

I 1999 opdagede forskere ved Gist-Brocades i Delft, Holland, en ny reaktion, der skal føjes til kvælstofkredsløbet; den såkaldte annamox-reaktion. Man har nu fundet ud af, at denne også forekommer i Sortehavet. Reaktionen indebærer, at nitrit og ammonium omdannes til ren kvælstofgas (N2), som derefter slipper ud i atmosfæren. Reaktionsmekanismen udløses af en nyopdaget bakterie, kaldet Brocadia anammoxidans. Denne bakterie ser ud til at være en kompartmentaliseret bakterie; inden for cellemembranen findes to kompartmenter, som også er omgivet af en membran, hvilket er et meget sjældent fænomen. Blandt mellemprodukterne i reaktionen var hydroxylamin og giftige hydrazinforbindelser. Bakteriemembranerne viste sig at bestå af dårligt permeable membraner, som menes at fungere som en barriere for de hydraziner, der produceres i cellen. Denne opdagelse har store konsekvenser, da den ændrer hele oceanernes bidrag til kvælstofbalancen.