氮素是核酸及蛋白質的主要成分，是構成生物體的必需元素。雖然大氣體積中約有78％是分子態氮，但所有植物、動物和大多數微生物都不能直接利用。初級生產者植物需要的銨鹽、硝酸鹽等無機氮化物，在自然界中為數不多，是初級生產者最主要的生長限製因子。隻有將分子態氮進行轉化和循環，才能滿足植物體對氮素營養的需要。因此氮素物質的相互轉化和不斷地循環，在自然界十分重要。
(一)自然界中的氮素循環
氮素循環包括許多轉化作用，包括空氣中的氮氣被微生物及微生物與植物的共生體固定成氨態氮，並轉化成有機氮化物；存在於植物和微生物體內的氮化物被動物食用，並在動物體內被轉變為動 物蛋白質；當動植物和微生物的屍體及其排泄物等有機氮化物被各種微生物分解時，又以氨的形式釋放出來；氨在有氧的條件下，通過硝化作用氧化成硝酸，生成的銨鹽和硝酸鹽可被植物和微生物吸收利用；在無氧條件下，硝酸鹽可被還原成為分子態氮返回大氣中，這樣氮素循環完成。氮素循環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)微生物在氮素循環的作用
1．固氮作用
分子態氮被還原成氨或其他氮化物的過程稱為固氮作用。自然界氮的固定有兩種方式，一是非生物固氮，即通過雷電、火山爆發和電離輻射等因氮，此外還包括人類發明的以鐵作催化劑，在高溫(500℃)、高壓(30.3975MPa)下的化學固氮，非生物固氮形成的氮化物很少。二是生物固氮，即通過微生物的作用固氮，大氣中90％以
上的分子態氮，隻能由微生物的話性而固定成氮化物。能夠固氮的微生物，均為原核生物，主要包括細菌、放線菌和藍細菌。在固氮生物中，貢獻最大的是與豆科植物疫麵而瘤菌屬，其次是與非豆科植物共生的放線菌弗蘭克氏菌屬，再次是各種藍組菌，最後是一些自生固氮菌。化學固氮曾為農業生產仔萬於巨大的貢獻，但是，它的生產需要高溫條件和高壓設備，材料和能源消耗過大，因此產品價格高且不斷上漲。對自然界氮素循環中的因氮作用具有決定意義的是生物固氮作用。
2．氨化作用
微生物分解含氮有機物產生氨的過程稱為氨化作用。含氮有機物的種類很多，主要是蛋白質尿素、尿酸和殼多糖等。
氨化作用在農業生產上十分重要，施入土壤中的各種動植物殘體和有機肥料，包括綠肥、堆肥和廄肥等都富含含氮有機物，它們須通過各類微生物的作用，尤其須先通過氨化作用才能成為植物能吸收和利用的氮素養料。
3．硝化作用
微生物將氨氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用。硝化作用分兩個階段進六，第一個階段是氨被氧化為亞硝酸鹽，靠亞硝化細菌完成，主要有亞硝化單胞菌屬、亞硝化葉菌屬等的一些種類。第二階段是亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽，靠硝化細菌完成，主要有硝化杆菌屬、硝化刺菌屬和硝化球菌屬的一些種類。硝化作用在自然界氮素循環中是不可缺少的一環，但對農業生產並無多大利益。
4．同化作用
銨鹽和硝酸鹽是植物和微生物良好的無機氮類營養物質，它們可被植物和微生物吸收利用，合成氨基酸、蛋白質、核酸和其他含氮有機物。
5．反硝化作用
微生物還原硝酸鹽，釋放出分子態氮和一氧化二氮的過程稱為反硝化作用。反硝化作用一般隻在厭氧條件下進行。
反硝化作用是造成土壤氮素損失的重要原因之一。在農業上常采用中耕鬆土的辦法，以抑製反硝化作用。但從整個氮素循環來說，反硝化作用還是有利的，否則自然界氮素循環將會中斷，硝酸鹽將會在水體中大量積累，對人類的健康和水生生物的生存造成很大的威脅。
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