Tkanki roślinne zawierają do 6% suchej masy azotu, zajmuje on 4 miejsce pod względem zawartości w biomasie po węglu, tlenie i wodorze. Jest on niezbędny do budowy aminokwasów będących elementami strukturalnymi białek oraz zasad pirymidynowych i purynowych, budulca nukleotydów i kwasów nukleinowych. Jako składnik tych i wielu innych związków azot bierze udział niemal we wszystkich reakcjach biochemicznych zachodzących w żywych organizmach. Niedobór tego pierwiastka stanowi częsty czynnik ograniczający tworzenie nowych tkanek. Metabolizm azotowy jest ściśle związany z przemianami węgla, gdyż szkielet molekularny, w który azot zostaje wbudowany, i energia potrzebna do tego procesu pochodzą z metabolizmu węgla.

Organizmy wiążące azot atmosferyczny.

Dzięki procesowi wiązania gazowy N2 zostaje zredukowany do amoniaku i w ten sposób może być wykorzystany jako źródło azotu potrzebnego do wzrostu roślin. Pierwszy etap tego procesu, rozbicie trwałego wiązania w cząsteczce N2 wymaga dużego nakładu energii. Energia niezbędna do tej reakcji oraz związki redukujące pochodzą z oddychania, dlatego wiązanie azotu jest ściśle uwarunkowane dostępnością substratów oddechowych.

Problem zaopatrzenia w odpowiednia ilość cukru najlepiej został rozwiązany przez bakterie heterotroficzne, które żyją w symbiozie z roślinami motylkowatymi. Bakteria wiążąca azot dostarcza gospodarzowi amoniak NH3 lub glutaminę, pokrywając z nadwyżką jego zapotrzebowanie na azot .

Roślina dostarcza natomiast prokariontowi związki węgla oraz zapewnia warunki do rozwoju-niszę ekologiczną.

Z punktu widzenia ilości wiązanego azotu, najważniejszą grupą symbiontów stanowią bakterie z grupy rizibiów.

Do grupy tej należą cztery rodzaje glebowych bakterii:

Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium, Sinorhizobium, do niedawna uważane za jeden rodzaj.

Zdolność do redukcji cząsteczki azotu jest ściśle związana z symbiozą z roślinami motylkowatymi.

Żyjące w glebie jako saprofity przez część cyklu życiowego, rizobia uzyskują zdolność do wiązania azotu dopiero po wniknięciu przez włośniki do kory pierwotnej rośliny i rozpoczęcia kooperacji z gospodarzem.

Bakteryjna kolonizacja strefy korzeniowej rośliny motylkowatej rozpoczyna skomplikowany ciąg procesów prowadzący do wiązania N2 i eksportu azotu związanego.

Niezbędnym warunkiem uruchomienia i przebiegu tych procesów jest komunikacja między dwoma partnerami symbiozy i wzajemna koordynacja ekspresji.

Najintensywniejsze wiązanie N2 występuje przed okresem kwitnienia rośliny gospodarza. Po kwitnieniu natężenia wiązania słabnie, brodawki rozpadają się, a przedostające się do gleby bakterie mogą zainfekować nowe rośliny. Rośliny motylkowe dzięki swojej zdolności do symbiozy z bakteriami wiążącymi azot znajdują zastosowania w rolnictwie: stanowią zielony nawóz, szeroko używany do wzbogacania gleby w azot (wyka, łubin, koniczyna i inne).

Do wiązania azotu atmosferycznego zdolna jest również spora ilość niesymbiotycznych wolno żyjących organizmów. Interesującymi autotrofiami są sinice (cyjanobakterie), np. Anabaena i Nostac.

W niciach cyjanobakterii rosnących na podłożu pozbawionym azotu tworzą się heterocysty - duże, grubościenne wyspecjalizowane komórki, w których zachodzi wiązanie azotu z udziałem ATP i związków redukujących.

Sinice mogą wiązać N2 , jako organizmy wolno żyjące, ale też są zdolne do symbiozy z różnym roślinami, np. mchami, paprociami i roślinami wyższymi.

Przemiany związków azotu prowadzone przez mikroorganizmy glebowe

Azot związany, wbudowany do związków organicznych, dostaje się w tej postaci do gleby w szczątkach roślinnych i zwierzęcych. Te organiczne formy azotu nie są dla większości roślin bezpośrednio dostępne. Jedynym związkiem organicznym azotu przyswajanym w znaczących ilościach przez rośliny zielone jest mocznik - w ilościach śladowych są pobierane z otocznia niektóre aminokwasy. Udostępnienie azotu organicznego zawartego w glebie odbywa się za pośrednictwem bakterii i grzybów, przerabiających na NH3 związki organiczne, np., aminokwasy powstałe po rozkładzie białka.

Amoniak może pozostać w glebie w postaci soli amonowych , może także zostać utleniony, najpierw do NO2-,

a następnie, do NO3- podczas nitryfikacji. Proces ten prowadza w obecności tlenu chemoautotroficzne bakterie glebowe, które energie uzyskaną z utleniania NH3 zużywają do syntezy związków organicznych. Pierwszy etap: utlenianie amoniaku do azotynu przeprowadzają bakterie z grupy Nitrowo, natomiast drugi: utlenianie azotynu do azotanu - bakterie z grupy Nitro.

W uproszczeniu bakterie Nitrosomonas przeprowadzają reakcję:

NH4+ + 1,5 O2 →NO2- + 2H+ + H2O + 352 kJ

zaś bakterie Nitrobacter:

NO2- + 0,5 O2 → NO3- + 73 kJ

Bakterie obu tych grup występują w związku zwanym parabiozą, czyli zawsze razem. Dzięki temu w glebie nie obserwuje się akumulacji szkodliwego azotynu.

Jon azotanowy może zostać ponownie zredukowany do wolnego azotu i powrócić do atmosfery, zamykając w ten sposób cykl azotowy lub być pobrany prze roślinę. Redukcja odbywa się na skutek działania bakterii denitryfikacyjnych. Niektóre bakterie chemosynetyzujące mogą wykorzystywać NO3- jako akceptor elektronów w łańcuchu oddechowym. Odbywa się to w warunkach beztlenowych lub słabo zaopatrzonych w tlen np. słabo przewietrzanych glebach lub wodach ubogich w tlen.

Działanie nitryfikatorów sprzyja retencji azotów w glebie, wiążą one bowiem lotny amoniak, który jest wydzielany w procesie mineralizacji, do azotanu , łatwo pobieranego przez roślinę. Denitryfikatory usuwają z gleby azotany.