निसर्गात जैविक आणि अजैविक प्रक्रियांमधून नायट्रोजन (N२) वायूचे वेगवेगळ्या संयुगांत घडून येणारे अभिसरण ‘नायट्रोजन चक्र’ म्हणून ओळखले जाते. या चक्रात विविध क्रियांद्वारे तसेच रासायनिक अभिक्रियांद्वारे नायट्रोजन वायूपासून नायट्रोजनयुक्त संयुगे तयार होतात आणि या संयुगांचे विघटन होऊन पुन्हा नायट्रोजन वायू मुक्त होतो.
सर्व सजीव नायट्रोजन चक्रात भाग घेतात. प्रथिने आणि न्यूक्लिइक आम्ले यांचा नायट्रोजन हा एक महत्त्वाचा घटक असून पृथ्वीवरील सर्व सजीवांसाठी तो आवश्यक असतो. वातावरणात नायट्रोजनाचे प्रमाण ७८% असून तो बहुतांशी वातावरणीय वायूच्या स्वरूपात असतो. अगदी कमी प्रमाणात नायट्रोजन पृथ्वीच्या गर्भात संयुग रूपातही आढळतो. मात्र इतर अनेक मूलद्रव्यांच्या मानाने नायट्रोजन निष्क्रिय आहे आणि सहजासहजी इतर मूलद्रव्यांबरोबर संयोग करत नाही. त्यामुळे बहुतेक सजीवांना मुक्त स्थितीतील नायट्रोजन वापरता येत नाही. निसर्गात क्रमाने घडणाऱ्या सूक्ष्मजीवांच्या रूपांतरणातून नायट्रोजन वनस्पतींना उपलब्ध होतो. वनस्पतीचे सेवन केल्यामुळे प्राण्यांना नायट्रोजन उपलब्ध होतो आणि सर्व प्राणिजीवन टिकून राहते. नायट्रोजन चक्राचे पुढीलप्रमाणे गट करता येतात : नायट्रोजन स्थिरीकरण, अमोनिकरण, नायट्रीकरण व विनायट्रीकरण.
निसर्गात नायट्रोजन नायट्रिक आम्लाच्या स्वरूपात स्थिर होतो. नायट्रोजन स्थिरीकरणात वातावरणातील नायट्रोजनचे नैसर्गिक किंवा औद्योगिक प्रक्रियेद्वारे अमोनिया, नायट्रेट किंवा नायट्राइटामध्ये रूपांतर होते. पावसाच्या पाण्याबरोबर अमोनियाचा संयोग होऊन विरल नायट्रिक आम्ल तयार होते आणि ते वनस्पतींना उपलब्ध होते. तडितांमधील (वीजांमधील) विद्युत् ऊर्जा किंवा वैश्विक किरणांमुळे हे रूपांतर होते. तसेच जमिनीतील सूक्ष्मजीवांमुळे नायट्रोजन स्थिरीकरण होणारे प्रमाण ९०% हून अधिक असते.
नायट्रोजन स्थिरीकरणाच्या प्रक्रियेत दोन प्रकारचे जीवाणू भाग घेतात : (१) मुक्तजीवी उदा., ॲझोटोबॅक्टर, क्लॉस्ट्रिडियम आणि ॲनाबिना, नोस्टॉक (नील-हरित शैवाल) प्रजातीचे जीवाणू (२) सहजीवी : उदा., ऱ्हायझोबियम प्रजातीचे जीवाणू.
नायट्रोजनाचे स्थिरीकरण घडवून आणणाऱ्या जीवाणूंमध्ये ऱ्हायझोबियम जीवाणू महत्त्वाचे असून ते शिंबावंत (शेंगा येणाऱ्या) वनस्पतींच्या मुळांवर गाठी निर्माण करतात. हे जीवाणू वनस्पतींपासून अन्न मिळवितात तर वनस्पतींना या जीवाणूंपासून मुबलक प्रमाणात नायट्रोजनयुक्त संयुगांचा पुरवठा होतो. सहजीवनाचे हे एक उदाहरण असून त्यामुळे वनस्पती आणि जीवाणू या दोघांनाही फायदा होतो. म्हणून घेवडा, भुईमूग, ताग, ढेंचा, लसूणघास या वनस्पतींमध्ये प्रथिनांचे प्रमाण अधिक असते. शेतकऱ्यांना जेव्हा वनस्पतीचे दर्जेदार आणि मुबलक पीक हवे असते तेव्हा ते जमिनीत ऱ्हायझोबियमयुक्त खते मिसळतात. तसेच शेतात मुद्दाम शिंबावंत वनस्पतींची लागवड करतात.
दुसरे सहजीवनाचे उदाहरण ॲनाबीना प्रजातीचे जीवाणू आणि पाण्यात वाढणाऱ्या ॲझोला पिन्नाटा या नेच्यात आढळते. व्हिएतनाममधील शेतकरी या दोन सजीवांची वाढ करतात. आणि इतर शेतकऱ्यांना विकतात. या नेचाची भाताच्या शेतात रोपणी केल्यास भाताचे उत्पन्न ५०-१००% वाढते. असा प्रयोग कन्याकुमारी येथील विवेकानंद केंद्राने केला. त्यासाठी त्यांना २००८ चा ॲशडेन पुरस्कार मिळाला आहे.
नायट्रोजन स्थिरीकरणातून निर्माण झालेली नायट्रेटे व अमोनिया यांचा संयोग प्रकाशसंश्लेषणातून तयार झालेल्या उत्पादितांबरोबर होऊन ॲमिनो आम्ले तयार होतात. या ॲमिनो आम्लांपासून वनस्पती प्रथिने तयार करतात. प्राणी या वनस्पतींचे सेवन करतात आणि त्यांच्या पचनक्रियेत या प्रथिनांचे ॲमिनो आम्लात विघटन होते. प्राणी या ॲमिनो आम्लांपासून त्यांना आवश्यक असलेली विशिष्ट प्रथिने तयार करतात. ही प्रथिने प्राण्यांच्या शरीराच्या वाढीसाठी वापरली जातात.
अमोनीकरण प्रक्रियेत सर्व सजीवांनी उत्सर्जित केलेले पदार्थ आणि त्यांचे अवशेष यांचे सूक्ष्मजीवांमार्फत विघटन घडून येते आणि अमोनिया जमिनीतून मुक्त होतो किंवा जमिनीच्या अवस्थेनुसार त्याचे नायट्रोजनयुक्त संयुगांत रूपांतर होते. नायट्रीकरण प्रक्रियेत जमिनीतील अनेक प्रजातींचे जीवाणू भाग घेतात. नायट्रोसोमोनस आणि नायट्रोसोकॉकस या जीवाणूंच्या प्रजाती अमोनियाचे (NH३) रूपांतर नायट्राइटामध्ये (-NO२) करतात. नायट्रोबॅक्टर जातीचे जीवाणू या नायट्राइटाचे रूपांतर नायट्रेटामध्ये (-NH३) करतात. याचाच वापर करून वनस्पती ॲमिनो आम्ले तयार करतात. जीवाणूंच्या अन्य प्रजाती, विनॉक्सिजीवी क्लॉस्ट्रिडियम आणि ऑॅक्सिजीवी ॲझोटोबॅक्टर जीवाणू नायट्रोजन वायूपासून नायट्राइट (-NO२) आणि नायट्रेटाची (-NO३) निर्मिती करतात.
विनायट्रीकरण प्रक्रियेत जमिनीतील विशिष्ट जीवाणू नायट्रोजनयुक्त संयुगांचे अमोनिया आणि नायट्रोजन वायूत रूपांतर करतात. या प्रक्रियेला ‘विनायट्रीकरण’ म्हणतात तर या जीवाणूंना ‘विनायट्रीकारक जीवाणू’ म्हणतात. या जीवाणूंमुळे जमिनीतील नायट्रेटाचे प्रमाण घटते आणि वातावरणात नायट्रोजन वायू मुक्त होतो.
फ्रिट्स हाबर आणि कार्ल बॉश यांनी नायट्रोजन आणि हायड्रोजन यांपासून अमोनिया तयार करण्याची पद्धत शोधली. या पद्धतीतून तयार होणाऱ्या अमोनियामुळे काही प्रमाणात नायट्रोजनाचे स्थिरीकरण होत असते. १९११ सालापासून हाबर-बॉश प्रक्रियेने नायट्रोजनयुक्त खतांचे उत्पादन करण्यात येत आहे. शेती व्यवसायासाठी ही खते वरदान ठरली आहेत. आता यूरियाच्या दाण्यांवर कडुलिंबाच्या तेलाचा थर दिला जातो. त्यामुळे यूरियाचे विघटन सावकाश होऊन पिकांना नायट्रोजन बराच काळ उपलब्ध होतो.
