A nitrogén a mikroorganizmusokban található létfontosságú szerves vegyületek, például az aminosavak, a fehérjék és a DNS része. A nitrogén gáznemű formája (N2), a troposzféra 78%-át teszi ki. Azt gondolhatnánk, hogy ez azt jelenti, hogy mindig rengeteg nitrogén áll rendelkezésünkre, de sajnos ez nem így működik. A nitrogént gáz halmazállapotban a növények és az állatok nem tudják felvenni és tápanyagként felhasználni; először nitrifikáló baktériumoknak kell átalakítaniuk, hogy a nitrogénciklus részeként bekerülhessen a táplálékláncokba.
A nitrogén átalakítása során a cianobaktériumok először ammóniává és ammóniummá alakítják a nitrogént, a nitrogénmegkötési folyamat során. A növények az ammóniát nitrogénforrásként tudják felhasználni.
A nitrogénmegkötés a következő reakció szerint zajlik:
N2 + 3 H2 -> 2 NH3
Az ammóniamegkötés után a keletkezett ammónia és ammónium a nitrifikációs folyamat során továbbadódik. Az aerob baktériumok oxigént használnak e vegyületek átalakításához. A Nitrosomonas baktériumok a nitrogéngázt először nitritté (NO2-), majd a nitrobaktériumok a nitritet nitráttá (NO3-), növényi tápanyaggá alakítják.
A nitrifikáció a következő reakciók szerint zajlik:
2 NH3 + 3O2 – > 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 -> 2 NO3-
A növények az asszimilációs folyamat során felveszik az ammóniumot és a nitrátot, majd nitrogéntartalmú szerves molekulákká, például aminosavakká és DNS-é alakulnak át.
Az állatok közvetlenül nem képesek nitrátot felvenni. Tápanyag-utánpótlásukat növények vagy növényfogyasztó állatok fogyasztásával kapják.
Amikor a nitrogéntartalmú tápanyagok a növényekben és az állatokban betöltötték a céljukat, speciális bontó baktériumok elindítják az ammonifikációnak nevezett folyamatot, hogy azokat újra ammóniává és vízben oldódó ammóniumsókká alakítsák. Miután a tápanyagok visszaalakulnak ammóniává, az anaerob baktériumok a denitrifikációnak nevezett folyamat során újra nitrogéngázzá alakítják őket.
A denitrifikáció a következő reakció szerint zajlik:
NO3- + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O
A nitrogén végül ismét a légkörbe kerül. A felszabadulás után az egész folyamat kezdődik elölről.

A nitrogénciklus sematikus ábrázolása itt látható:

A nitrogén mint korlátozó tényező

Bár a nitrogénátalakítási folyamatok gyakran végbemennek, és nagy mennyiségű növényi tápanyag keletkezik, a nitrogén gyakran korlátozó tényező a növények növekedése szempontjából. A talajon átáramló víz okozza ezt a hibát. A nitrogéntartalmú tápanyagok vízben oldódnak, és ennek következtében könnyen lecsapolódnak, így a növények számára már nem állnak rendelkezésre.

Az annamox-reakció

1999-ben a hollandiai Delftben található Gist-Brocades kutatói felfedeztek egy új reakciót, amely a nitrogénciklusba illeszthető; az úgynevezett annamox-reakciót. Most kiderült, hogy ez a Fekete-tengerben is előfordul. A reakció során a nitrit és az ammónium tiszta nitrogéngázzá (N2) alakul át, amely aztán a légkörbe távozik. A reakció mechanizmusát egy újonnan felfedezett baktérium, a Brocadia anammoxidans váltja ki. Ez egy rekeszes baktériumnak tűnik; a sejtmembránon belül két rekesz található, amelyeket szintén membrán vesz körül, ami nagyon ritka jelenség. A reakció köztes termékei hidroxilamin és mérgező hidrazinvegyületek voltak. Megállapították, hogy a baktérium membránjai rosszul permeábilis membránokból állnak, amelyek feltehetően gátként működnek a sejtben keletkező hidrazinok számára. Ez a felfedezés komoly következményekkel jár, mivel megváltoztatja az óceánok teljes hozzájárulását a nitrogénmérleghez.