Kvävecykeln
Kväve är ett av de grundämnen som sannolikt är begränsande för växters tillväxt. Liksom kol har kväve sin egen biogeokemiska cykel som cirkulerar genom atmosfären, litosfären och hydrosfären (figur 5). Till skillnad från kol, som främst lagras i sedimentära bergarter, förekommer det mesta kvävet i atmosfären som en oorganisk förening (N2). Det är den dominerande atmosfäriska gasen och utgör cirka 79 procent av atmosfärens volym. Växter kan dock inte använda kväve i gasform och kan tillgodogöra sig det först när det har omvandlats till ammoniak (NH3) och nitrater (NO3-). Denna reduktiva process, som kallas kvävefixering, är en kemisk reaktion där elektroner hämtas från en annan molekyl. En liten mängd kväve fixeras av blixten, men det mesta av det kväve som hämtas från atmosfären avlägsnas av kvävefixerande bakterier och cyanobakterier (tidigare kallade blågröna alger).
Encyclopædia Britannica, Inc.
Vissa arter av kvävefixerande bakterier kan samexistera intimt (symbiotiskt) med baljväxter och andra växter och förse växterna med nödvändigt kväve (figur 6). I denna symbiotiska förening blir bakterierna inkapslade i knölar som växer på växternas rötter, genom vilka kväve som har fixerats av de bofasta bakterierna erhålls. Cyanobakterier har utvecklat liknande relationer med olika livsformer, t.ex. levermossor, hornmossor, cycader och minst ett släkte av blommande växter (Gunnera). Deras symbiotiska förhållande med svampar har förtjänat en egen beteckning – de samexisterande arterna kallas för lavar.
(Vänster) Encyclopædia Britannica, Inc.; (höger) fotografi, © John Kaprielian, The National Audubon Society Collection/Photo Researchers
Andra mikroorganismer utför viktiga uppgifter som driver kvävecykeln framåt. Även om växter kan tillgodogöra sig såväl ammoniak som nitrater omvandlas den mesta ammoniaken i marken till nitriter (NO2-) och sedan till nitrater av vissa aeroba bakterier genom den oxidativa processen nitrifikation. När kväve väl har assimilerats av växter kan det omvandlas till organiska former, t.ex. aminosyror och proteiner. Djur kan endast använda organiskt kväve, som de får genom att äta växter eller andra djur. När dessa organismer dör kan vissa mikrober, t.ex. detritivorer, delta i nedbrytningen av organiskt kväve till ammoniak (ammonifiering), vilket ger en konstant tillförsel av ammoniak som kan användas i nitrifikationsprocessen. Även om fixering av atmosfäriskt kväve är en viktig del av kvävecykeln är ammonifiering och nitrifikation de dominerande metoderna genom vilka organiskt kväve hindras från att återvända till atmosfären och hålls i kretslopp genom biosfären.
En del kväve återvänder dock till atmosfären när denitrifikationsbakterier bryter ner nitrater för att få syre, varvid gasformigt N2 frigörs. Kväve förloras också från växter och mark i terrestra miljöer via andra vägar, bland annat genom erosion, avrinning, förångning av ammoniak till atmosfären och utlakning från mark till sjöar och vattendrag. Så småningom når en del av dessa näringsämnen haven när floder spolar upp dem på havsytan.