Stikstof is een onderdeel van vitale organische verbindingen in microorganismen, zoals aminozuren, eiwitten en DNA. De gasvormige vorm van stikstof (N2), maakt 78% van de troposfeer uit. Je zou denken dat dit betekent dat we altijd voldoende stikstof beschikbaar hebben, maar helaas werkt het niet zo. Stikstof in gasvorm kan niet worden opgenomen en gebruikt als voedingsstof door planten en dieren; het moet eerst worden omgezet door nitrificerende bacteriën, zodat het in de voedselketens terecht kan komen als onderdeel van de stikstofcyclus.
Tijdens de omzetting van stikstof zetten cyano-bacteriën stikstof eerst om in ammoniak en ammonium, tijdens het stikstoffixatieproces. Planten kunnen ammoniak gebruiken als stikstofbron.
De stikstoffixatie verloopt volgens de volgende reactie:
N2 + 3 H2 -> 2 NH3
Na de ammoniumfixatie worden de gevormde ammoniak en ammonium verder overgedragen, tijdens het nitrificatieproces. Aërobe bacteriën gebruiken zuurstof om deze verbindingen om te zetten. Nitrosomonas-bacteriën zetten eerst stikstofgas om in nitriet (NO2-) en vervolgens zetten nitrobacteriën nitriet om in nitraat (NO3-), een voedingsstof voor planten.
Nitrificatie verloopt volgens de volgende reacties:
2 NH3 + 3O2 – > 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 -> 2 NO3-
Planten nemen ammonium en nitraat op tijdens het assimilatieproces, waarna ze worden omgezet in stikstofbevattende organische moleculen, zoals aminozuren en DNA.
Dieren kunnen nitraten niet rechtstreeks opnemen. Zij krijgen hun voedingsstoffen binnen via de consumptie van planten of plantenetende dieren.
Wanneer stikstofvoedingsstoffen hun doel in planten en dieren hebben gediend, starten gespecialiseerde afbrekende bacteriën een proces dat ammonificatie wordt genoemd, om ze weer om te zetten in ammoniak en in water oplosbare ammoniumzouten. Nadat de voedingsstoffen weer in ammoniak zijn omgezet, zetten anaërobe bacteriën ze weer om in stikstofgas, tijdens een proces dat denitrificatie wordt genoemd.
Denitrificatie verloopt volgens de volgende reactie:
NO3- + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O
Ten slotte wordt stikstof weer in de atmosfeer gebracht. Na het vrijkomen begint het hele proces opnieuw.

Een schematische weergave van de stikstofkringloop is hier te zien:

Stikstof als beperkende factor

Hoewel de stikstofomzettingsprocessen vaak plaatsvinden en er grote hoeveelheden voedingsstoffen voor planten worden geproduceerd, is stikstof vaak een beperkende factor voor de groei van planten. Water dat over de bodem stroomt, veroorzaakt deze fout. Stikstofvoedingsstoffen zijn in water oplosbaar en als gevolg daarvan worden ze gemakkelijk afgevoerd, zodat ze niet langer beschikbaar zijn voor planten.

De annamox-reactie

In 1999 ontdekten onderzoekers van de Gist-Brocades in Delft, Nederland, een nieuwe reactie aan de stikstofkringloop toe te voegen; de zogenaamde annamox-reactie. Deze blijkt nu ook in de Zwarte Zee voor te komen. De reactie houdt in dat nitriet en ammonium worden omgezet in zuiver stikstofgas (N2), dat vervolgens ontsnapt in de atmosfeer. Het reactiemechanisme wordt in gang gezet door een nieuw ontdekte bacterie, Brocadia anammoxidans genaamd. Dit blijkt een gecompartimenteerde bacterie te zijn; binnen het celmembraan zijn twee compartimenten te vinden die ook omgeven zijn door een membraan, een zeer zeldzaam verschijnsel. Tussenproducten van de reactie waren hydroxylamine en giftige hydrazineverbindingen. De bacteriële membranen bleken te bestaan uit slecht doorlaatbare membranen, waarvan wordt aangenomen dat zij als barrière fungeren voor hydrazines die in de cel worden geproduceerd. Deze ontdekking heeft grote gevolgen, omdat zij de hele bijdrage van de oceanen aan de stikstofbalans verandert.