氮素是核酸及蛋白质的主要成分，是构成生物体的必需元素。虽然大气体积中约有78％是分子态氮，但所有植物、动物和大多数微生物都不能直接利用。初级生产者植物需要的铵盐、硝酸盐等无机氮化物，在自然界中为数不多，是初级生产者最主要的生长限制因子。只有将分子态氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养的需要。因此氮素物质的相互转化和不断地循环，在自然界十分重要。
(一)自然界中的氮素循环
氮素循环包括许多转化作用，包括空气中的氮气被微生物及微生物与植物的共生体固定成氨态氮，并转化成有机氮化物；存在于植物和微生物体内的氮化物被动物食用，并在动物体内被转变为动 物蛋白质；当动植物和微生物的尸体及其排泄物等有机氮化物被各种微生物分解时，又以氨的形式释放出来；氨在有氧的条件下，通过硝化作用氧化成硝酸，生成的铵盐和硝酸盐可被植物和微生物吸收利用；在无氧条件下，硝酸盐可被还原成为分子态氮返回大气中，这样氮素循环完成。氮素循环包括微生物的固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及植物和微生物的同化作用。
(二)微生物在氮素循环的作用
1．固氮作用
分子态氮被还原成氨或其他氮化物的过程称为固氮作用。自然界氮的固定有两种方式，一是非生物固氮，即通过雷电、火山爆发和电离辐射等因氮，此外还包括人类发明的以铁作催化剂，在高温(500℃)、高压(30.3975MPa)下的化学固氮，非生物固氮形成的氮化物很少。二是生物固氮，即通过微生物的作用固氮，大气中90％以
上的分子态氮，只能由微生物的话性而固定成氮化物。能够固氮的微生物，均为原核生物，主要包括细菌、放线菌和蓝细菌。在固氮生物中，贡献最大的是与豆科植物疫面而瘤菌属，其次是与非豆科植物共生的放线菌弗兰克氏菌属，再次是各种蓝组菌，最后是一些自生固氮菌。化学固氮曾为农业生产仔万于巨大的贡献，但是，它的生产需要高温条件和高压设备，材料和能源消耗过大，因此产品价格高且不断上涨。对自然界氮素循环中的因氮作用具有决定意义的是生物固氮作用。
2．氨化作用
微生物分解含氮有机物产生氨的过程称为氨化作用。含氮有机物的种类很多，主要是蛋白质尿素、尿酸和壳多糖等。
氨化作用在农业生产上十分重要，施入土壤中的各种动植物残体和有机肥料，包括绿肥、堆肥和厩肥等都富含含氮有机物，它们须通过各类微生物的作用，尤其须先通过氨化作用才能成为植物能吸收和利用的氮素养料。
3．硝化作用
微生物将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。硝化作用分两个阶段进六，第一个阶段是氨被氧化为亚硝酸盐，靠亚硝化细菌完成，主要有亚硝化单胞菌属、亚硝化叶菌属等的一些种类。第二阶段是亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，靠硝化细菌完成，主要有硝化杆菌属、硝化刺菌属和硝化球菌属的一些种类。硝化作用在自然界氮素循环中是不可缺少的一环，但对农业生产并无多大利益。
4．同化作用
铵盐和硝酸盐是植物和微生物良好的无机氮类营养物质，它们可被植物和微生物吸收利用，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其他含氮有机物。
5．反硝化作用
微生物还原硝酸盐，释放出分子态氮和一氧化二氮的过程称为反硝化作用。反硝化作用一般只在厌氧条件下进行。
反硝化作用是造成土壤氮素损失的重要原因之一。在农业上常采用中耕松土的办法，以抑制反硝化作用。但从整个氮素循环来说，反硝化作用还是有利的，否则自然界氮素循环将会中断，硝酸盐将会在水体中大量积累，对人类的健康和水生生物的生存造成很大的威胁。
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