Der Stickstoffkreislauf ist die Art und Weise, wie Stickstoff in der Natur in viele verschiedene Formen umgewandelt wird, die von lebenden Organismen genutzt werden.
Luft besteht zu etwa 78% aus Stickstoff. Stickstoffchemikalien werden zum Leben benötigt. Stickstoff ist ein notwendiger Bestandteil von Proteinen, DNA und RNA. In Pflanzen wird Stickstoff für die Photosynthese und das Wachstum benötigt. Allerdings können Lebewesen den elementaren Stickstoff in der Luft nicht für diese Dinge verwenden. Die Fixierung von Stickstoff ist notwendig, um den Stickstoff in der Luft (N2) in Formen umzuwandeln, die vom Leben genutzt werden können. Die meiste Stickstoff-Fixierung erfolgt durch Mikroorganismen, die Bakterien genannt werden. Diese Bakterien haben ein Enzym, das N2 mit Wasserstoffgas (H2) zu Ammoniak (NH3) verbindet.
Einige dieser Bakterien leben in den Wurzeln von Pflanzen (meist Leguminosen). In diesen Wurzeln stellen sie Ammoniak für die Pflanze her, und die Pflanze gibt ihnen Kohlenhydrate. Andere Pflanzen nehmen über ihre Wurzeln Stickstoffverbindungen aus dem Boden auf. Der gesamte Stickstoff in Tieren stammt vom Pflanzenfrass.
Ammonium (NH4) im Boden entsteht durch stickstofffixierende Bakterien und Zersetzer, Bakterien und Pilze, die totes Leben in seine Bestandteile zerlegen. Dieser Prozess wird als Ammonifikation bezeichnet. Ammonium hat eine positive Ladung. Es verbindet sich leicht mit Ton und Humus im Boden. Ammoniak und Ammonium sind giftig für Fische und andere Tiere. Aus diesem Grund werden Abwasser und andere Abwässer regelmäßig gemessen. Wenn der Ammoniakgehalt zu hoch ist, muss eine Nitrifikation stattfinden.
Nitrifikation ist die Oxidation von Ammoniak und Ammonium zu Nitrit (NO2-) und dann zu Nitrat ( NO3-) durch Bakterien. Da Nitrit und Nitrat eine negative Ladung haben, verbinden sie sich nicht leicht mit dem Boden und werden bei Regen und Bewässerung aus dem Boden ausgewaschen. Hohe Nitratgehalte im Trinkwasser sind schädlich für Babys und können das Blue-Baby-Syndrom verursachen. Hohe Nitratgehalte können auch ein zu starkes Algenwachstum in Seen und Tümpeln verursachen. Diese Eutrophierung kann für Fische und andere Wassertiere schädlich sein. Aus diesem Grund wird der Einsatz von Düngemitteln kontrolliert.
Wo es keinen Sauerstoff gibt, machen einige Bakterien Nitrat zu Stickstoffgas (N2), um Energie zu gewinnen. Dadurch beginnt der Stickstoffkreislauf von neuem. Dieser Prozess wird Denitrifikation genannt.
