A nitrogénciklus
A nitrogén az egyik olyan elem, amely valószínűleg korlátozza a növények növekedését. A szénhez hasonlóan a nitrogénnek is megvan a maga biogeokémiai körforgása, amely a légkörben, a litoszférában és a hidroszférában kering (5. ábra). A szénnel ellentétben, amely elsősorban az üledékes kőzetekben tárolódik, a nitrogén nagy része a légkörben szervetlen vegyületként (N2) fordul elő. Ez az uralkodó légköri gáz, amely a légkör térfogatának mintegy 79 százalékát teszi ki. A növények azonban a nitrogént gáz halmazállapotban nem tudják felhasználni, és csak az ammóniává (NH3) és nitrátokká (NO3-) való átalakulása után képesek asszimilálni. Ez a reduktív folyamat, amelyet nitrogénmegkötésnek nevezünk, olyan kémiai reakció, amelynek során elektronokat vesznek fel egy másik molekulától. A nitrogén egy kis részét a villámok kötik meg, de a légkörből begyűjtött nitrogén nagy részét a nitrogénmegkötő baktériumok és a cianobaktériumok (korábbi nevükön kék-zöld algák) távolítják el.
Encyclopædia Britannica, Inc.
A nitrogénmegkötő baktériumok egyes fajai képesek a hüvelyesekkel és más növényekkel szoros (szimbiózisban) együtt élni, és a növényeket ellátni a szükséges nitrogénnel (6. ábra). Ebben a szimbiózisban a baktériumok a növények gyökerein növekvő gócokba burkolóznak, amelyeken keresztül a rezidens baktériumok által megkötött nitrogénhez jutnak. A cianobaktériumok hasonló kapcsolatokat alakítottak ki különböző életformákkal, például májvirágokkal, szarvacskákkal, cikádokkal és legalább egy virágos növényfajjal (Gunnera). A gombákkal való szimbiózisuk saját elnevezést érdemelt ki – az együtt élő fajokat zuzmóknak nevezzük.
(Balra) Encyclopædia Britannica, Inc.; (jobbra) fénykép, © John Kaprielian, The National Audubon Society Collection/Photo Researchers
Más mikroorganizmusok is fontos feladatokat látnak el, amelyek a nitrogénciklust mozgatják. Bár a növények az ammóniát és a nitrátokat is képesek asszimilálni, a talajban lévő ammónia nagy részét bizonyos aerob baktériumok a nitrifikáció oxidatív folyamata révén nitritekké (NO2-), majd nitrátokká alakítják. Miután a nitrogén a növények által asszimilálódott, szerves formákká, például aminosavakká és fehérjékké alakítható. Az állatok csak szerves nitrogént tudnak felhasználni, amelyet növények vagy más állatok fogyasztásával nyernek. Ahogy ezek az élőlények elpusztulnak, bizonyos mikrobák, például a detritivorok képesek részt venni a szerves nitrogén ammóniává történő lebontásában (ammonifikáció), állandó ammónia-utánpótlást biztosítva a nitrifikációs folyamathoz. Bár a légköri nitrogén megkötése a nitrogénciklus lényeges része, az ammonifikáció és a nitrifikáció az uralkodó módszerek, amelyekkel a szerves nitrogén nem kerül vissza a légkörbe, és a bioszférán keresztül a körforgásban marad.
Egy bizonyos nitrogén azonban visszatér a légkörbe, mivel a denitrifikáló baktériumok a nitrátok lebontásával oxigénhez jutnak, és így gáznemű N2 szabadul fel. A szárazföldi környezetben a növényekből és a talajból más úton is távozik nitrogén, többek között az erózió, a lefolyás, az ammónia elpárolgása a légkörbe, valamint a talajból a tavakba és patakokba való kimosódás útján. Végül e tápanyagok egy része az óceánokba kerül, mivel a folyók az óceán felszínére ömlik.