Zawartość azotu jest częścią istotnych związków organicznych w mikroorganizmach, takich jak aminokwasy, białka i DNA. Gazowa forma azotu (N2), stanowi 78% troposfery. Można by pomyśleć, że oznacza to, że zawsze mamy pod dostatkiem azotu, ale niestety nie działa to w ten sposób. Azot w formie gazowej nie może być wchłonięty i wykorzystany jako składnik odżywczy przez rośliny i zwierzęta; musi być najpierw przekształcony przez bakterie nitryfikacyjne, aby mógł wejść do łańcuchów pokarmowych jako część cyklu azotowego.
Podczas przekształcania azotu bakterie cyjano najpierw przekształcają azot w amoniak i amon, podczas procesu wiązania azotu. Rośliny mogą wykorzystać amoniak jako źródło azotu.
Wiązanie azotu odbywa się zgodnie z następującą reakcją:
N2 + 3 H2 -> 2 NH3
Po wiązaniu amonu, powstały amoniak i amon będą dalej przenoszone, podczas procesu nitryfikacji. Bakterie tlenowe wykorzystują tlen do przekształcania tych związków. Bakterie Nitrosomonas najpierw przekształcają gazowy azot w azotyn (NO2-), a następnie bakterie Nitrobacter przekształcają azotyn w azotan (NO3-), składnik odżywczy roślin.
Nitryfikacja przebiega zgodnie z następującymi reakcjami:
2 NH3 + 3O2 – > 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 -> 2 NO3-
Rośliny absorbują amon i azotan w procesie asymilacji, po czym są one przekształcane w zawierające azot cząsteczki organiczne, takie jak aminokwasy i DNA.
Zwierzęta nie mogą absorbować azotanów bezpośrednio. Otrzymują one swoje zapasy składników odżywczych poprzez spożywanie roślin lub zwierząt konsumujących rośliny.
Gdy azotowe składniki odżywcze spełniły swoje zadanie w roślinach i zwierzętach, wyspecjalizowane bakterie rozkładające rozpoczną proces zwany amonifikacją, aby przekształcić je z powrotem w amoniak i rozpuszczalne w wodzie sole amonowe. Po przekształceniu składników odżywczych z powrotem w amoniak, bakterie beztlenowe przekształcą je z powrotem w gazowy azot, w procesie zwanym denitryfikacją.
Denitryfikacja przebiega zgodnie z następującą reakcją:
NO3- + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O
Na koniec, azot jest ponownie uwalniany do atmosfery. Po uwolnieniu cały proces zaczyna się od nowa.

Schematyczne przedstawienie cyklu azotowego pokazane jest tutaj:

Azot jako czynnik ograniczający

Chociaż procesy przemiany azotu często zachodzą i powstają duże ilości składników odżywczych dla roślin, azot jest często czynnikiem ograniczającym wzrost roślin. Woda przepływająca przez glebę powoduje ten błąd. Azotowe składniki odżywcze są rozpuszczalne w wodzie i w rezultacie są łatwo odprowadzane, tak że nie są już dostępne dla roślin.

Reakcja annamox

W 1999 roku naukowcy z Gist-Brocades w Delft, Holandia, odkryli nową reakcję, która ma być dodana do cyklu azotowego; tak zwana reakcja annamox. Teraz okazało się, że występuje ona również w Morzu Czarnym. Reakcja polega na przekształceniu azotynów i amonu w czysty azot gazowy (N2), który następnie ulatnia się do atmosfery. Mechanizm reakcji jest uruchamiany przez nowo odkrytą bakterię, zwaną Brocadia anammoxidans. Okazuje się, że jest to bakteria przedziałowa; w obrębie błony komórkowej można znaleźć dwa przedziały, które są również otoczone błoną, co jest bardzo rzadkim zjawiskiem. Produktami pośrednimi reakcji były hydroksyloamina i toksyczne związki hydrazyny. Stwierdzono, że błony bakterii składają się z błon źle przepuszczalnych, które, jak się sądzi, pełnią funkcję bariery dla hydrazyny wytwarzanej w komórce. Odkrycie to ma poważne konsekwencje, ponieważ zmienia cały wkład oceanów w bilans azotowy.