Nitrogen adalah unsur pembatas yang penting untuk pertumbuhan dan produksi tanaman. Ini adalah komponen penting dari klorofil, pigmen paling penting yang dibutuhkan untuk fotosintesis, serta asam amino, bahan penyusun protein. Ini juga ditemukan di biomolekul penting lainnya, seperti ATP dan asam nukleat. Meskipun merupakan salah satu unsur yang paling melimpah (terutama dalam bentuk gas nitrogen (N2) di atmosfer bumi), tumbuhan hanya dapat menggunakan bentuk tereduksi dari unsur ini. Tanaman memperoleh bentuk nitrogen ‘campuran’ ini dengan: 1) menambahkan amonia dan / atau pupuk atau pupuk nitrat ke dalam tanah, 2) melepaskan senyawa ini selama dekomposisi bahan organik, 3) konversi nitrogen atmosfer dalam senyawa oleh proses alami, seperti sebagai petir, dan 4) fiksasi nitrogen biologis.
Fiksasi nitrogen biologis dilakukan oleh sekelompok mikroorganisme khusus yang menggunakan enzim nitrogenase untuk mengkatalisis konversi nitrogen atmosfer (N2) menjadi amonia (NH3). Tanaman dapat dengan mudah mengasimilasi NH3 untuk menghasilkan biomolekul nitrogen yang disebutkan di atas. Prokariota ini termasuk organisme air, seperti cyanobacteria, bakteri tanah yang hidup bebas, seperti Azotobacter, bakteri yang membentuk hubungan asosiatif dengan tanaman, seperti Azospirillum, dan yang paling penting, bakteri, seperti Rhizobium dan Bradyrhizobium, yang bersimbiosis dengan kacang-kacangan dan tumbuhan lain..
Pengurangan nitrogen atmosfer adalah proses kompleks yang membutuhkan sejumlah besar energi. Molekul nitrogen terdiri dari dua atom nitrogen yang bergabung dengan ikatan rangkap tiga kovalen, membuat molekul sangat lembam dan tidak reaktif. Nitrogenase mengkatalisis pemutusan ikatan ini dan penambahan tiga atom hidrogen ke setiap atom nitrogen.
Mikroorganisme pengikat nitrogen membutuhkan 16 mol adenosin trifosfat (ATP) untuk mereduksi setiap mol nitrogen. Organisme ini memperoleh energi ini dengan mengoksidasi molekul organik. Mikroorganisme non-fotosintetik yang hidup bebas harus memperoleh molekul-molekul ini dari organisme lain, sedangkan mikroorganisme fotosintesis, seperti cyanobacteria, menggunakan gula yang dihasilkan oleh fotosintesis. Mikroorganisme pengikat nitrogen asosiatif dan simbiosis memperoleh senyawa ini dari rizosfer tanaman inangnya.
Penggunaan pupuk kimia ini secara berlebihan telah menyebabkan terganggunya siklus nitrogen dan, akibatnya, mencemari air permukaan dan air tanah. Peningkatan beban pupuk nitrogen di air tawar, serta di ekosistem laut, telah menyebabkan eutrofikasi, proses di mana sistem ini memiliki perkembangbiakan mikroorganisme, terutama alga. “Penghijauan” kolom air ini telah menyebabkan penurunan kadar oksigen terlarut (DO) di dasar perairan karena alga planktonik mati dan memicu respirasi mikroba. Tingkat DO yang berkurang ini mengakibatkan kematian besar-besaran organisme akuatik dan menciptakan apa yang disebut zona mati, area di mana sedikit atau tidak ada kehidupan akuatik yang dapat ditemukan. Fenomena ini sekarang dianggap sebagai pemicu utama dalam ekosistem laut.