生物地球化学循环的氮循环

虽然大气中富含氮元素（79%），植物却不能直接利用，只有经固氮生物（主要是固氮菌类和蓝藻）将其转化为氨（NH3）后才能被植物吸收，并用于合成蛋白质和其他含氨有机质。在生物体内，氮存在于氨基中，呈-3价。在土壤富氧层中，氮主要以硝酸盐（+5价）或亚硝酸盐（+3价）形式存在。土壤中有两类硝化细菌，一类将氨氧化为亚硝酸盐，一类将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，两类都依靠氧化作用释放的能量生存。除了与固氮菌共生的植物（主要为豆科）可能直接利用空气中的氮转化的氨外，一般植物都是吸收土壤中的硝酸盐。植物吸收硝酸盐的速度很快，叶和根中有相应的还原酶能将硝酸根逆行还原为NH3，但这需要供能。土壤中还有一类细菌为反硝化细菌，当土壤中缺氧而同时有充足的碳水化合物时，它们可以将硝酸盐还原为气态的氮（N2）或一氧化二氮（N2O）。由进化的角度来看，这一步骤极为重要。否则大量的氮将贮存在海洋或沉积物中。
在原始地球的大气中可能含有氨，但大量生物合成耗尽这些氨后，固氮作用便成为必需。现已发现具有固氮作用的微生物是一些自由生活或共生的细菌以及某些蓝藻。它们的营养方式有异养的，也有光能合成和化能合成的。总之，其固氮作用所需的能量要由外界提供。除生物外，空中的雷电以及高能射线也能固定少量氮气。20世纪发展起来的氮肥工业，以越来越大的规模将空气中的氮固定为氨和硝酸盐。现在范围的固氮速度可能已超过反硝化作用释放氮的速度。另外，由于工业固氮是以能源消耗为代价的，所以应该珍视生物固氮这个环节，而某些农林业措施或环境污染会破坏正常的土壤微生物亚系统。