Typpi on osa mikro-organismien elintärkeitä orgaanisia yhdisteitä, kuten aminohappoja, proteiineja ja DNA:ta. Typen kaasumaisessa muodossa (N2), muodostaa 78 % troposfääristä. Voisi ajatella, että tämä tarkoittaa, että meillä on aina runsaasti typpeä saatavilla, mutta valitettavasti se ei toimi niin. Kasvit ja eläimet eivät voi imeä ja käyttää kaasumaisessa muodossa olevaa typpeä ravinteena, vaan nitrifioivien bakteerien on ensin muunnettava se, jotta se pääsee ravintoketjuihin osana typen kiertokulkua.
Typen muuntamisessa syanobakteerit muuttavat typpeä ensin ammoniakiksi ja ammoniumiksi typen sidontaprosessin aikana. Kasvit voivat käyttää ammoniakkia typen lähteenä.
Typen sitominen tapahtuu seuraavan reaktion mukaisesti:
N2 + 3 H2 -> 2 NH3
Ammoniumin sitomisen jälkeen muodostunut ammoniakki ja ammonium siirretään edelleen nitrifikaatioprosessin aikana. Aerobiset bakteerit käyttävät happea näiden yhdisteiden muuntamiseen. Nitrosomonas-bakteerit muuttavat typpikaasun ensin nitriitiksi (NO2-) ja sen jälkeen nitrobakteerit muuttavat nitriitin nitraatiksi (NO3-), joka on kasviravinne.
Nitrifikaatio tapahtuu seuraavien reaktioiden mukaisesti:
2 NH3 + 3O2 – > 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 -> 2 NO3-
Kasvit absorboivat ammoniumia ja nitraattia assimilaatioprosessin aikana, minkä jälkeen ne muuttuvat typpeä sisältäviksi orgaanisiksi molekyyleiksi, kuten aminohapoiksi ja DNA:ksi.
Lemmikkieläimet eivät voi absorboida nitraattia suoraan. Ne saavat ravintoaineensa syömällä kasveja tai kasveja syöviä eläimiä.
Kun typpiravinteet ovat täyttäneet tarkoituksensa kasveissa ja eläimissä, erikoistuneet hajottavat bakteerit aloittavat ammonifikaatioksi kutsutun prosessin, jossa ne muunnetaan takaisin ammoniakiksi ja vesiliukoisiksi ammoniumsuoloiksi. Kun ravinteet on muunnettu takaisin ammoniakiksi, anaerobiset bakteerit muuttavat ne takaisin typpikaasuksi denitrifikaatioksi kutsutussa prosessissa.
Denitrifikaatio tapahtuu seuraavan reaktion mukaisesti:
NO3- + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O
Viimein typpi vapautuu jälleen ilmakehään. Koko prosessi alkaa uudelleen vapautumisen jälkeen.
Tässä on esitetty typen kierron kaavamainen esitys:
Typpi rajoittavana tekijänä
Vaikka typen muuntoprosesseja tapahtuu usein ja kasviravinteita tuotetaan suuria määriä, typpi on usein kasvien kasvua rajoittava tekijä. Maaperän läpi virtaava vesi aiheuttaa tämän virheen. Typpiravinteet ovat vesiliukoisia, minkä vuoksi ne valuvat helposti pois, jolloin ne eivät ole enää kasvien käytettävissä.
Annamox-reaktio
Vuonna 1999 Gist-Brocadesin tutkijat Delftissä, Alankomaissa, löysivät typen kiertokulkuun lisättävän uuden reaktion; niin sanotun annamox-reaktion. Tämän on nyt havaittu esiintyvän myös Mustallamerellä. Reaktiossa nitriitti ja ammonium muuttuvat puhtaaksi typpikaasuksi (N2), joka sitten poistuu ilmakehään. Reaktiomekanismin käynnistää vasta löydetty Brocadia anammoxidans -niminen bakteeri. Kyseessä näyttää olevan lokeroitunut bakteeri; solukalvon sisällä on kaksi lokeroa, joita myös ympäröi kalvo, mikä on hyvin harvinainen ilmiö. Reaktion välituotteita olivat hydroksyyliamiini ja myrkylliset hydratsiiniyhdisteet. Bakteerikalvojen todettiin koostuvan huonosti läpäisevistä kalvoista, joiden uskotaan toimivan esteenä solun sisällä tuotetuille hydratsiinille. Tällä löydöksellä on merkittäviä seurauksia, sillä se muuttaa koko valtamerten osuutta typpitasapainossa.