氮是生物有機體的主要組成元素，氮循環是重要的生物地球化學循環。氮循環由6種轉化氮化合物的反應組成，包括固氮、同化、氨化（脫氨）、硝化作用、反硝化作用及硝酸鹽還原。
（1）固氮：固氮是大氣中氮被轉化成氨（銨）的生化過程。固氮微生物都具有固氮基因和由其編碼合成的固氮酶，生物固氮是只有微生物或有微生物參與才能完成的生化過程。
（2）氨化作用:氨化作用是有機氮化物轉化成氨的過程。它是通過微生物的胞外和胞內酶系以及土壤動物釋放的酶催化的。首先是胞外酶降解含氮有機多聚體，然後形成的單聚體被微生物吸收到細胞內代謝，產生的氨釋放到土壤中。氨化作用放出的氨可被微生物固定利用和進一步轉化。
（3）硝化作用：硝化作用是有氧條件下氨被氧化成硝酸鹽的過程。硝化作用是由兩群化能自養細菌進行的，先是亞硝酸單胞菌將氨氧化為亞硝酸；然後硝酸桿菌再將亞硝酸氧化為硝酸。氨和亞硝酸是它們的能源。
（4）硝酸鹽還原和反硝化作用：土壤中的硝酸鹽可以經由不同途徑而被還原，包括同化還原和異化還原兩方面，還原產物可以是亞硝酸、氧化氮、氧化亞氮等。
同化還原是指微生物將吸收的硝酸鹽逐步還原成氨用於細胞物質還原的過程。植物、真菌和細菌都能夠進行NO3-的同化還原，在同化硝酸酶系催化下先形成NO2-繼而還原成NH2OH,最後成為NH3，由細胞同化為有機態氮。
硝酸鹽的異化還原比較複雜，有不同途徑。因微生物和條件不同，可以只還原為NO和N2O，也可以還原為分子氮。只有細菌具備NO3-的異化還原作用。
反硝化作用即反硝化細菌在缺氧條件下，還原硝酸鹽，釋放出分子態氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的過程，即脫氮作用。能夠進行反硝化作用的只有少數細菌。