Между атмосферой, литосферой и биосферой происходит непрерывный обмен, с которым связана и смена химических форм азо-8 та. Этот обмен и определяет круговорот азота в природе. Обмен азота между атмосферой и биосферой получил название биохимического цикла азота.
Несмотря на то, что за историю Земли выделились огромные (по сравнению с весом биосферы) количества азота и образовали атмосферу Земли, биосфера в своем развитии постоянно ощущает недостаток в азотном питании. Основным процессом движения азота в биосфере является его переход из одной химической формы в другую в замкнутом цикле. Постоянная смена химических форм азота является источником жизни для многих организмов начиная от микроорганизмов и кончая высокоорганизованными формами жизни. Накопленные в почве запасы связанного азота служат источником питания высших растений, откуда связанный азот может поступать и в организмы животных. Растения и животные, отмирая, дают начало органическому азоту, находящемуся главным образом в аминокислотах. В процессе амонификации органических остатков азот органических соединений переходит в аммонийную (аммиачную)'форму. Последняя с помощью микроорганизмов переходит в нитритную форму. При этом выделяется около 70 ккал/моль. Другая группа микроорганизмов завершает окисление аммиака до нитрата. Полученный в процессе нитрификации нитрат усваивается растениями, и цикл движения азота в биосфере замыкается.
Главными неорганическими соединениями азота в почвах являются нитрат, аммоний и в редко встречающихся условиях нитрит. Поведение первых двух компонентов в почве совершенно различно. Если нитрат является легкоподвижным соединением, не сорбируется минералами почвы и остается в растворенном в воде состоянии, то аммоний легко хемосорбируется глинистыми минералами, хотя это не мешает ему в определенных условиях легко окисляться до нитрата. Такое различие в подвижности нитрата и аммония предопределяет источники азотного питания растений. С энергетических позиций аммонийная форма азота более предпочтительна, так как валентность азота в вей одинакова с валентностью азота в аминокислотах.
Нитратная форма служит основным источником азотного питания растительности в силу своей подвижности, несмотря на необходимость траты дополнительной энергии, связанной с восстановлением нитрата растением.
Неиспользованные живым веществом запасы химически связанного азота под действием микроорганизмов непрерывно преобразовываются в формы, доступные для азотного питания растений. Так, фиксированный глинистыми минералами аммоний окисляется до нитратов. В определенных условиях при отсутствии свободного кислорода и наличии неиспользованного живым веществом нитрата может происходить обусловленное процессом де-нитрификации восстановление азота до молекулярного с уходом последнего в атмосферу.
Количества азота, выведенные денитрифицирующими бактериями из биосферы, компенсируются процессами фиксации азота из атмосферы азотфиксирующими бактериями. Последние подразделяются на две группы: живущие самостоятельно и живущие в симбиозе с высшими растениями или с насекомыми. Первая группа бактерий фиксирует примерно 10 кг/га. Симбионты высших растений фиксируют значительно большие количества азота. Так, симбионты бобовых культур фиксируют до 350 кг/га. С осадками выпадает азота порядка нескольких килограммов на гектар.
В балансе фиксируемого азота все большее значение приобретает искусственно синтезированный аммиак, причем его количество удваивается каждые 6 лет. Уже в ближайшее время это может вызвать дисбаланс между процессами фиксации и денитрификации в биосфере.
Следует отметить подцикл круговорота аммиака и окислов азота через атмосферу, особенно если учесть, что этот подцикл регулирует масштабы развития биосферы. Источниками атмосферного аммиака служат биохимические процессы в почве и, в первую очередь, аммонификация. Окисляясь, аммиак дает основную массу окислов азота в атмосфере. Получающаяся в процессе денитрификации закись азота ответственна за содержание окислов азота в стратосфере, которые каталитически разрушают озон, защищающий живое вещество биосферы от губительного действия жёсткого ультрафиолетового излучения. Таким образом в природе установились определенные пределы развития биосферы.
Деятельность человека грозит нарушить установившееся равновесие. Так, подсчет показал, что количества окиси азота, выделившиеся при планируемых полетах сверхзвуковых самолетов в стратосфере, будут сравнимы с поступлениями ее из природных источников.
Таким образом, завершается цикл движения молекулярного азота через биосферу. В этом геохимическом цикле само существование азотной атмосферы Земли определяется скоростями процессов фиксации и денитрификации. При резком разбалансе этих скоростей азотная атмосфера Земли может исчезнуть всего за несколько десятков миллионов лет.
Помимо атмосферы, биосфера определяет существование и другого крупного резервуара азота в земной коре — литосферы, так как именно взаимодействие живого вещества с молекулярным азотом играет главную роль в процессе круговорота поверхностного азота через земную кору. Небольшая часть накопленного в биосфере связанного азота вместе с осадками увлекается в глубь земной коры. В резко восстановительных условиях из осадочных пород исчезает нитратная форма азота. С увеличением температуры и давления и выходом за границы биосферы реакции превращения органического вещества становятся односторонними и сдвигаются в сторону разрушения органической формы азота. Основной формой связанного азота становится ион аммония. С увеличением степени метаморфизма осадочных пород начинает разрушаться и уходить из пород и аммонийный азот. На высоких ступенях метаморфизма этот процесс практически заканчивается, а с ним заканчивается цикл обращения поверхностного азота в земной коре. Время жизни азота в этом цикле составляет около 1 млрд. лет.