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Der Stickstoffkreislauf ist einer der großen Stoffkreisläufe in der belebten Natur. Wichtige Stickstoffverbindungen für die Organismen sind Ammonium bzw. Ammoniak. Diese Verbindungen können von vielen Bakterien und grünen Pflanzen als Stickstoffquelle genutzt werden, um Proteine, Nucleinsäuren und andere stickstoffhaltige Substanzen aufzubauen. Damit stellen diese die Stickstoffquelle für tierische Organismen dar, denn Tiere können nur organisch gebundenen Stickstoff verwerten.
Obwohl die Atmosphäre zu ca. 80 % aus Stickstoff besteht, können ihn die meisten Pflanzen in der dort vorliegenden Form nicht aufnehmen. Stickstoff-fixierende Bakterien können aus diesem freien Stickstoff Ammonium-Ionen herstellen. Durch Nitrifikation mit Hilfe anderer Bakteriengruppen entstehen so die für Pflanzen lebenswichtigen Nitrat-Ionen und können von ihnen in Proteine und andere stickstoffhaltige organische Verbindungen umgewandelt werden. Laubfall, Ausscheidungsprodukte von Tieren und abgestorbene Lebewesen bringen die organischen Stoffe wieder in den Boden wo sie mineralisiert werden. Der Kreislauf ist geschlossen, wenn durch Denitrifikation wieder Luftstickstoff entsteht.

Chemolithoautotrophie (auch Chemosynthese) ist eine Form des chemotrophen Energiestoffwechsels (Chemotrophie), bei dem anorganische Verbindungen oder Ionen die Reduktionsäquivalente für den Energiegewinn liefern. Chemosynthese betreiben chlorophyllfreie Prokaryoten. SIe kommt bei Bodenbakterien und Wasserbakterien vor. Dieser Prozess wurde von SERGEJ NIKOLAJEWITSCH WINOGRADSKIJ (1856-1953) bei den Schwefel oxidierenden Bakterien, Eisen oxidierenden Bakterien (1887, 1889) und den nitrifizierenden Bakterien (1890) entdeckt.
Bei der Chemolithoautotrophie werden durch die Oxidation von anorganischen Stoffen ATP als Energiequelle und das Reduktionsmittel ${\text{NADH + H}}^{\text{+}}$ als Voraussetzungen für die Herstellung von Kohlenhydraten im CALVIN-Zyklus bereitgestellt.

Nitrit-Ionen sind ein wichtiges Zwischenprodukt des Stickstoffkreislaufs der Natur. Lebewesen sind ihnen ständig ausgesetzt. In der Mundhöhle können sie auch aus Nitrat-Ionen reduziert werden. In weiterführenden Stoffwechselprozessen reagieren diese Ionen mit Aminen zu Nitrosaminen. Aus ihnen entstehen Carbenium-Ionen, die die DNA-Stickstoffbasen methylieren. Bei Nichtreparatur können diese DNA-Schäden Mutationen auslösen.

Knöllchenbakterien bilden an den Wurzeln von Leguminosen (vor allem der Schmetterlingsblütengewächse, z. B. Erbse) Knöllchen, in denen sie leben. Sie binden den Stickstoff der Luft und versorgen die Pflanzen damit. Dafür erhalten sie von der Pflanze z. B. Wasser und organische Stoffe.

Pflanzen (als Erzeuger), Tiere (als Verbraucher) sowie Pilze und abbauende Mikroorganismen (als Zersetzer) bilden in Ökosystemen Stoffkreisläufe. Sie werden besonders am Beispiel der Kreisläufe der chemischen Elemente wie Kohlenstoff und Stickstoff deutlich.