与其他元素相反，氮元素在地球中的含量不是很多，自然界累积有N03的地方是某些岛屿。含氮的无机盐在水中的溶解度是很大的，所以这些化合物是能被生物所利用的，并成为初级生产者代谢活力的一个主要限制性因子。活体中的有机物和尸体中的有机物也含少量的氮，并能活跃地参与循环。在温暖气候中，固定在土壤有机物（腐殖土）中的氮是相当丰富的，只有经过缓慢的矿化之后，才能被生物所吸收；在热带气候中，温度和湿度条件均有利于腐殖土有机氮的快速矿化作用，从而使含氮化合物得到有效释放。自然界中最丰富的含氮物质是大气中的氮气（占大气总量的78.12%，体积分数），但自然界中仅有一些微生物能固定大气中的氮。通过火山喷发、雷电和电离辐射的作用，也能把少量的含氮化合物排放到生物圈中。人类利用化学方法把Nz合成NH3，对于地球中的氮循环起着越来越大的作用。
微生物对于元素氮的生物地球化学循环起着最重要的作用，微生物与自然环境中氮的循环作用。这些微生物在自然生态中是非常重要的，氮是蛋白质、核酸和其
他细胞物质的一个基本成分。大气中虽然含有丰富的氮，但不钝被大多数生物所利用，动物、植物和某些微生物必须利用含氮化合物合成生物氮。如果没有固氮菌固定大气中的氮合成氨，那么地球上的所有含氮化合物将会被耗尽。在环境中不存在含氮化合物的情况下，植物不能继续进行光合作用，同时还有许多微生物通过反硝化作用把氮以气体的形式释放到大气中去。
氮循环中会有氨化作用、硝化作用、硝化还原和反硝化作用。
1．氨化作用
在生物地球化学循环中，微生物还能转化含氮化合物。活体中的有机物和无生命有机物分子上的氮原子通常是以还原形式存在，即以氨基形式存在。许多植物、动物和微生物都能进行氨化作用，即把有机物上的氮转化成氨。
pH值从酸性到中性的有水环境中，氨是以NH才的形式存在。在碱性环境中，氨化作用所产生的部分氨释放到大气中去，从而成为生物无法利用的氮。在大气生物圈中的氨和其他形式的氮很容易受到化学和光化学转化，经沉淀，这些含氮化合物又重新回到岩石和水圈中。
NH4+很容易被许多植物和微生物同化，生成氨基酸和其他含氮化合物。在这些生物体中的谷氨酸合成酶／谷氨酰胺合成酶作用下，把NH3加入到有机物上；或在a一酮一羧酸分子上直接氨基化形成氨基酸。这两种同化途径的重要性在不同环境之间是有差别的，并且受到环境条件和不同种微生物的影响，例如在NH4+浓度较低的情况下，水生细菌主要利用谷氨酸合成酶／谷氨酰胺合成酶这一途径，合成的氨基可以通过转氨作用形成其他氨基酸。
2．硝化作用
自然界中，仅有少数几种自养细菌能进行硝化反应。在硝化过程中，氨或NH才被氧化成N02是第一步反应，第二步反应便是N02被氧化成N03。这两步反应均为能
过程。
由于只有很少几个属与硝化过程有关，故硝化过程会受到环境因素的强烈影响。硝化作用的第二步反应通常对环境因素更为敏感，所以在极端环境条件下，亚硝酸盐可能在这种坏境中得到累积。硝化过程是一个绝对需氧的过程。
硝化过程在土壤中是非常重要的，因为由NH≯转化成N03的过程是由正电荷离子变成负电荷离子的过程，正电荷离子比较容易被土壤中带负电荷的粘土颗粒结合，而带负电荷离子能在土壤水中自由迁移，所以硝化过程可以看做土壤中的一种流失过程。在土壤中，NH才很容易被硝化细菌氧化成N02或N03，植物很容易吸收N03，并把它们同化成有机氮化合物。然而N02和N03很容易从土壤中渗透到地下水中，这对植物来说是一个浪费的过程。地下水中含有N02是对人体有害的，因为N02能与氨基化合物发生反应形成亚硝胺（亚硝胺具有强烈的致癌性）。N03本身虽然毒性不大，但在人的胃肠道中会被其中的微生物还原成毒性更大的NOz，的正常胃pH值可以抑制这种还原作用或使这种还原作用速率达到最低；但是婴儿的胃酸较少，所以对N02高度敏感。N03能与血液中的血红蛋白结合而导致呼吸困难。在草食动物的癌胃中也可以发生硝化还原作用，从而导致动物发生疾病或死亡。
在农田中加入高浓度的氮肥，也会导致地下水N03和N02浓度上升，但在氮肥中
加入硝化抑制剂则可部分解决上述问题，同时还能使植物更好地利用氮肥，
3．硝化还原和反硝化作用
N03能被各种生物通过同化途径而还原，其中相关微生物有细菌、真菌和藻类。N03被同化还原的产物中有氨，有许多酶（包括硝酸还原酶和亚硝酸还原酶）参与了这一过程的反应，所形成的氨随后便组人生物体中的氨基酸上。如果在这些微生物的生长环境中，存在有氨或还原性含氮有机物，则会对上述酶起抑制作用。N03的还原不会导致氨在细胞外高浓度积累，因为形成的氨很快被组人有机氮中；如果有过量的氨，便会通过反馈抑制作用阻止N03进一步受到还原。正常大气的氧浓度不会对上述酶起抑制作用，在无氧条件下，微生物能利用N03作为最终电子受体进行无氧呼吸，这个过程叫做硝酸。呼吸或异化硝酸还原作用。在异化硝酸还原作用期间，硝酸被转化成各种还原性产物，有机物同时被氧化。在没有氧气存在的情况下，异化硝酸还原作用可以使有机物得到利用，这个过程产生的能量比发酵过程产生的能量要多。能进行异化硝酸还原作用的微生物有产碱杆菌、大肠杆菌、气单胞菌、肠杆菌、芽孢杆菌、黄杆菌、诺卡氏菌、螺旋菌、葡萄球菌和弧菌，这些细菌在厌氧条件下把硝酸盐还原成亚硝酸盐，产生的亚硝酸盐被分泌到细胞外；或者在合适条件下，这些细菌中某些种通过羟胺途径把亚硝酸还原成NH3，称为硝酸氨化作用。这些微生物不产生氮，所以不是反硝化反应。与同化硝酸还原作用不同的是，异化硝酸还原酶不会被NH3抑制，所以被分泌的NH}可以达到相当高的浓度。
通过微生物的反硝化作用可以把N03转化成氮气，某些微生物如反硝化假单胞细菌、反硝化硫杆菌和各种假单胞菌还原N03之后，产生氮气和一氧化氮。在土壤中，主要的反硝化细菌有产碱杆菌和假单胞菌，其他细菌（如固氮螺菌、根瘤菌、红假单胞菌和丙酸杆菌）在某些条件下也会进行反硝化反应。通常情况下，在反硝化过程中形成含有各种氮氧化合物和N2的混合物，其比例敢决于不同种的反硝化细菌和环境条件；如果环境中的pH值越低，那么形成的氮氧化合物的比例就越高。
反硝化作用通常发生在厌氧条件或氧浓度较低的条件下，但是在有氧条件下，也可以发生反硝化作用；在有氧情况下，反硝化作用出现在缺氧的微环境中。反硝化作用通常出现在静水中，而在流动的溪流和河水中则较少出现。
在含有高浓度N03的环境中，通过监测一氧化氮浓度，便可知这一环境中反硝化能力的大小，如果环境中补充适量的有机物提供营养，那么N2浓度就会上升。
环境因素和人类活动对氮循环的影响：
(1)氧。在有氧条件下，可以发生硝化作用；而在无氧条件下，梭状芽孢杆菌、某些光合细菌和硫酸盐还原菌可以进行反硝化作用固氮。
(2) pH值。在中性和微碱性条件下，有利于硝化作用，但pH值超过8时，硝化杆菌便不能把二氧化氮转化成N03。另一方面，如土壤中pH值过低，也无法进行硝化作用，但用石灰处理过的土壤(pH值在4～6之间)，硝化作用得到强化。
(3)季节变化。在一个特定环境中，氮循环表现出季节性变化。在水体中，当出现水华时，水中氮的固定速率通常很高。
(4)氨。氨可以抑制大气中氮的固定，环境中过量的氨可以通过反馈抑制来阻止N03进一涉受到还原。
(5)人类的活动。在农田中大量施用氮肥，会增加硝化作用，为了阻止这种情况的发生，可以在氮肥中加入硝化抑制剂，如2一氯-6-三氯甲基吡啶。某些有机氯农药也可以抑制微生物的硝化作用。
(6)分泌物。某些草产生的分泌物可以抑制亚硝化单胞菌和硝化杆菌的生长，所以在草地里，硝化反应非常缓慢。
