Väte är en del av viktiga organiska föreningar i mikroorganismer, t.ex. aminosyror, proteiner och DNA. Den gasformiga formen av kväve (N2) utgör 78 % av troposfären. Man skulle kunna tro att detta innebär att vi alltid har gott om kväve tillgängligt, men tyvärr fungerar det inte så. Kväve i gasform kan inte tas upp och användas som näringsämne av växter och djur, utan måste först omvandlas av nitrifierande bakterier, så att det kan komma in i näringskedjorna som en del av kvävecykeln.
Under omvandlingen av kväve omvandlar cyanobakterier först kväve till ammoniak och ammonium, under kvävefixeringsprocessen. Växter kan använda ammoniak som kvävekälla.
Kvävefixering sker enligt följande reaktion:
N2 + 3 H2 -> 2 NH3
Efter ammoniumfixering överförs den ammoniak och det ammonium som bildas vidare, under nitrifikationsprocessen. Aeroba bakterier använder syre för att omvandla dessa föreningar. Nitrosomonas-bakterier omvandlar först kvävgas till nitrit (NO2-) och därefter omvandlar nitrobacter nitrit till nitrat (NO3-), ett växtnäringsämne.
Nitrifikation sker enligt följande reaktioner:
2 NH3 + 3O2 – > 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 -> 2 NO3-
Växter absorberar ammonium och nitrat under assimileringsprocessen, varefter de omvandlas till kväveinnehållande organiska molekyler, t.ex. aminosyror och DNA.
Djur kan inte absorbera nitrater direkt. De får sina näringsämnen genom att konsumera växter eller växtkonsumerande djur.
När kvävenäringsämnena har tjänat sitt syfte i växter och djur startar specialiserade nedbrytningsbakterier en process som kallas ammonifiering, för att omvandla dem tillbaka till ammoniak och vattenlösliga ammoniumsalter. När näringsämnena har omvandlats tillbaka till ammoniak omvandlar anaeroba bakterier dem tillbaka till kvävgas under en process som kallas denitrifikation.
Denitrifikation sker enligt följande reaktion:
NO3- + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O
Slutligt släpps kväve ut i atmosfären igen. Hela processen börjar om på nytt efter frisläppandet.
En schematisk framställning av kvävecykeln visas här:
Kväve som en begränsande faktor
Även om kväveomvandlingsprocesserna ofta sker och stora mängder växtnäring produceras, är kväve ofta en begränsande faktor för växternas tillväxt. Vatten som strömmar över marken orsakar detta fel. Kvävenäringsämnen är vattenlösliga och därför dräneras de lätt bort, så att de inte längre är tillgängliga för växter.
Annamoxreaktionen
1999 upptäckte forskare vid Gist-Brocades i Delft, Nederländerna, en ny reaktion som kan läggas till i kvävecykeln; den så kallade annamoxreaktionen. Denna har nu visat sig förekomma även i Svarta havet. Reaktionen innebär att nitrit och ammonium omvandlas till ren kvävgas (N2), som sedan avgår till atmosfären. Reaktionsmekanismen utlöses av en nyupptäckt bakterie som kallas Brocadia anammoxidans. Detta tycks vara en bakterie med kompartment; inom cellmembranet finns två kompartment som också är omgivna av ett membran, vilket är ett mycket sällsynt fenomen. Mellanprodukterna i reaktionen var bland annat hydroxylamin och giftiga hydrazinföreningar. Bakteriemembranen visade sig bestå av dåligt permeabla membran, som tros fungera som en barriär för hydraziner som produceras i cellen. Denna upptäckt får stora konsekvenser eftersom den ändrar hela oceanernas bidrag till kvävebalansen.