Nitrogenul face parte din compușii organici vitali din microrganisme, cum ar fi aminoacizii, proteinele și ADN-ul. Forma gazoasă a azotului (N2), alcătuiește 78% din troposferă. S-ar putea crede că acest lucru înseamnă că avem întotdeauna o mulțime de azot disponibil, dar, din păcate, nu funcționează așa. Azotul în formă gazoasă nu poate fi absorbit și utilizat ca nutrient de către plante și animale; trebuie mai întâi să fie convertit de către bacteriile nitrificatoare, astfel încât să poată intra în lanțurile alimentare ca parte a ciclului azotului.
În timpul conversiei azotului, bacteriile ciano vor converti mai întâi azotul în amoniac și amoniu, în timpul procesului de fixare a azotului. Plantele pot folosi amoniacul ca sursă de azot.
Fixarea azotului se realizează conform următoarei reacții:
N2 + 3 H2 -> 2 NH3
După fixarea amoniului, amoniacul și amoniul care se formează vor fi transferate mai departe, în timpul procesului de nitrificare. Bacteriile aerobe folosesc oxigenul pentru a transforma acești compuși. Bacteriile Nitrosomonas convertesc mai întâi azotul gazos în nitrit (NO2-) și, ulterior, nitrobacterii convertesc nitriții în nitrați (NO3-), un nutrient pentru plante.
Nitrificarea se realizează conform următoarelor reacții:
2 NH3 + 3O2 – > 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 -> 2 NO3-
Plantele absorb amoniul și nitratul în timpul procesului de asimilare, după care acestea sunt transformate în molecule organice care conțin azot, cum ar fi aminoacizii și ADN.
Animalele nu pot absorbi direct nitrații. Ele își primesc rezervele de nutrienți prin consumul de plante sau de animale consumatoare de plante.
Când nutrienții azotați și-au îndeplinit scopul în plante și animale, bacteriile specializate în descompunere vor începe un proces numit amonificare, pentru a le transforma din nou în amoniac și săruri de amoniu solubile în apă. După ce nutrienții sunt transformați din nou în amoniac, bacteriile anaerobe îi vor transforma din nou în azot gazos, în timpul unui proces numit denitrificare.
Denitrificarea se realizează conform următoarei reacții:
NO3- + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O
În cele din urmă, azotul este eliberat din nou în atmosferă. Întregul proces începe din nou după eliberare.

O reprezentare schematică a ciclului azotului este prezentată aici:

Azotul ca factor limitativ

Deși procesele de conversie a azotului au loc adesea și se produc cantități mari de nutrienți pentru plante, azotul este adesea un factor limitativ pentru creșterea plantelor. Apa care curge prin sol provoacă această eroare. Nutrienții de azot sunt solubili în apă și, prin urmare, sunt ușor de drenat, astfel încât nu mai sunt disponibili pentru plante.

Reacția annamox

În 1999, cercetătorii de la Gist-Brocades din Delft, Olanda, au descoperit o nouă reacție care trebuie adăugată la ciclul azotului; așa-numita reacție annamox. Acum s-a constatat că aceasta are loc și în Marea Neagră. Reacția implică transformarea nitriților și a amoniului în azot pur gazos (N2), care apoi se scurge în atmosferă. Mecanismul de reacție este declanșat de o bacterie recent descoperită, numită Brocadia anammoxidans. Aceasta pare a fi o bacterie compartimentată; în interiorul membranei celulare pot fi găsite două compartimente care sunt, de asemenea, înconjurate de o membrană, un fenomen foarte rar. Printre produșii intermediari ai reacției se numără hidroxilamina și compușii toxici ai hidrazinei. S-a constatat că membranele bacteriene constau în membrane slab permeabile, despre care se crede că funcționează ca o barieră pentru hidrazinele produse în interiorul celulei. Această descoperire are consecințe majore, deoarece modifică întreaga contribuție a oceanelor la echilibrul de azot.