ไนโตรเจนเป็นแก๊สที่พบมากในบรรยากาศของโลกประมาณ 78% และยังเป็นองค์ประกอบสำคัญของชีวโมเลกุล เช่น โปรตีน พอร์ฟีริน กรดนิวคลีอิก การหมุนเวียนของไนโตรเจนในบรรยากาศ และสิ่งมีชีวิตในวัฏจักรไนโตรเจนมีความสำคัญเนื่องจากเป็นกระบวนการ ที่เปลี่ยนแปลงโมเลกุลของไนโตรเจนไปเป็นโมเลกุลอื่นที่เหมาะสมกับสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ สามารถนำโมเลกุลเหล่านั้นนำไปใช้ได้ ทำไมจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงโมเลกุลได้ เนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน นั่นเอง แสดงดังสมการ

          เราจะพบว่าในสมการที่เกิดขึ้นมาจากกระบวนการเปลี่ยนแปลงโมเลกุลของ ไนโตรเจนที่ปรากฏในวัฏจักรไนโตรเจนโดยปกติ ไนโตรเจนจะเป็นโมเลกุลที่ยึดกันด้วยพันธะสาม จึงทำให้ไนโตรเจนไม่ทำปฏิกิริยาง่ายๆ กับโมเลกุลอื่น แต่ทำไมในสิ่งมีชีวิตจึงสามารถนำไนโตรเจนไปใช้ได้ ซึ่งจะมีความเกี่ยวข้องกับอะไร บ้างเราจะมารู้กัน แต่ก่อนอื่นเราจะมาสังเกตดูว่าในวัฏจักรไนโตรเจนมีกระบวนการเปลี่ยนแปลงอย่างไรบ้าง แสดงดังรูปที่1

วัฏจักรไนโตรเจน

กระบวนการที่สำคัญในวัฏจักรไนโตรเจน

     1. fertilizer สารอาหารที่ เติมลงไปในดินเพื่อเพิ่มการเจริญเติบโตของพืช

     2. volatilization แอมโมเนีย หรือ ยูเรีย สามารถเปลี่ยนไปเป็นแอมโมเนียซึ่งเป็นแก๊สที่ปลดปล่อยไปในอากาศ

     3. animal wastes สิ่งปฏิกูลที่มาจากสัตว์ซึ่งเติมลงไปในดิน และเพิ่มสารอาหารให้แก่ผลผลิต

     4. organic matter ซากพืชซากสัตว์ ที่อยู่ในดิน

     5. immobilization ธาตุอนินทรีย์ เช่น ไนโตรเจน หรือ ฟอสฟอรัส ถูกใช้โดยสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กและเปลี่ยนไปเป็นสารอินทรีย์

     6. nitrification แอมโมเนียถูกเปลี่ยนไปเป็นไนเตรต โดยแบคทีเรียในดิน

     7. biological fixation หรือ nitrogen fixation พืชตระกูลถั่ว สามารถตรึงไนโตรเจนเนื่องจากมีแบคทีเรีย อาศัยอยู่ในปมรากถั่ว แบคทีเรียได้รับอาหารในรูปคาร์โบไฮเดรตจากพืช ในทางกลับกัน แบคทีเรียใช้ไนโตรเจน เปลี่ยนไปให้อยู่ในรูปสารอินทรีย์ ซึ่งพืชสามารถใช้ได้

     8. mineralization การปล่อยสารอาหารอย่างช้าๆ จากสิ่งมีชีวิต

     9. denitrification ไนเตรต ถูกเปลี่ยนไปในรูปแก๊สไนโตรเจน , ไนตรัสออกไซด์ , ไนตริกออกไซด์โดยแบคทีเรียในดิน เมื่อดินเปียก

   10. crop uptake and removal การสูญหายของสารอาหารจากระบบเมื่อเก็บเกี่ยวผลผลิตออกจากพื้นที่เพาะปลูก

         nitrification เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน จากแอมโมเนียที่ถูกใช้โดยแบคทีเรียไปเป็น ไนไตรท์ (NO₂^-) หรือไนเตรต (NO₃^-) พืชและแบคทีเรียสามารถกำจัดทั้งสองตัวได้โดย เอนไซม์ไนไตรท์ หรือ ไนเตรต รีดักเตส แอมโมเนียจะเปลี่ยนรูปไปเป็นกรดอะมิโนโดยพืชนั่นเอง สัตว์ก็จะกินพืชเพื่อเป็นแหล่งของโปรตีน เมื่อสิ่งมีชีวิตตายโปรตีนเหล่านั้นก็จะกลับมาเป็นแอมโมเนียในดิน การเกิดสมดุลระหว่าง การตรึงไนโตรเจนและไนโตรเจนในบรรยากาศโดยแบคทีเรียซึ่งเปลี่ยน nitrate ไปเป็น nitrogen ภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจนของแบคทีเรีย ซึ่งเรียกว่า กระบวนการ denitrification

โมเลกุลที่เกิดขึ้นในวัฏจักรไนโตรเจน

     1.N₂
         ไนโตรเจนที่อยู่ในรูปแก๊ส

     2.NH₃
         แอมโมเนียที่อยู่ในรูปแก๊สเกิดจากสิ่งมีชีวิต เช่น สิ่งปฏิกูล หรือบริเวณผิวหน้าของปุ๋ย

     3.N0
         ไนตริกออกไซด์พบอยู่ในบรรยากาศซึ่งได้มาจากกระบวนการ denitrification ท่อไอเสีย และ กระบวนการอุตสาหกรรม

     4.NH₄⁺
        แอมโมเนียมไออน อยู่ในดินสามารถดูดซึมโดยพืช แอมโมเนียมไอออนส่วนใหญ่พร้อมที่จะเปลี่ยนไปเป็นไนเตรต      

     5.N₂0
        ไนตรัสออกไซด์ อยู่ในรูปของแก๊สพบอยู่ในบรรยากาศ ซึ่งได้มาจากกระบวนการ denitrification ท่อไอเสีย และกระบวนการอุตสาหกรรม

     6.NO₃^-
        ไนเตรต ไม่ได้อยู่ในดิน แต่สามารถถูกดูดซึมได้ด้วยพืช หรือ ย้ายจากดินไปในส่วนของราก

หน้าที่ของไนโตรเจน

         สารประกอบไนโตรเจนที่พบในเนื้อเยื่อของพืชมีทั้งที่เพิ่งดูดเข้าไปและยังไม่เปลี่ยนแปลงกับอินทรียสารซึ่งมีการสังเคราะห์ขึ้นใหม่จากไนเตรท แอมโมเนียและยูเรียที่พืชดูดได้ อินทรียสารที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบอาจแบ่งได้เป็น 6 กลุ่ม คือ

1. โปรตีน (proteins) ประกอบด้วยกรดอะมิโน (amino acids) ชนิดต่าง ๆ ต่อเรียงกันอย่างมีแบบแผน ตั้งแต่ 50 ถึง 100 หน่วย โดยกรดอะมิโนเหล่านั้นเชื่อมกันด้วยพันธะเพปไทด์ (peptide bond) โปรตีนมีหน้าที่สำคัญมากในเซลล์โดยเป็นองค์ประกอบในโครงสร้างของ
      (ก) ไซโทพลาซึม
      (ข) เยื่อเป็นทั้งโครงสร้างและพาหะในการเคลื่อนย้ายสารผ่านเยื่อ
      (ค) เอนไซม์ ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาชีวเคมีจึงมีบทบาทเกี่ยวข้องกับเมแทบอลิซึมอย่างกว้างขวาง

2. กรดอะมิโน มีไนโตรเจนอยู่ที่หมู่อะมิโน (amino group) กรดอะมิโนเป็นหน่วยในโครงสร้าง (building blocks) ของโปรตีน โดยต่อเรียงกันอย่างมีแบบแผน นอกเหนือจากกรดอะมิโนที่เป็นโครงสร้างของโปรตีนแล้ว ยังมีอีกมากที่อยู่อย่างอิสระในเซลล์ สัดส่วนของกรดอะมิโนแต่ละอย่าง กรดอะมิโนอิสระกับกรดอะมิโนในโครงสร้างของสารต่าง ๆ เป็นลักษณะเฉพาะของพืชแต่ละชนิด

3. ฮอร์โมนพืช ฮอร์โมนที่พืชสังเคราะห์ขึ้นเองและมีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ คือ ออกซิน (auxins) กับไซโทไคนิน (cytokinins) กรดอินโดลแอซิติก (indole-3-acetic acid, IAA) เป็นออกซินที่พืชสังเคราะห์ได้จากกรดอะมิโนชื่อทริปโตเฟน (tryptophane) บทบาทที่สำคัญของ IAA ต่อการเจริญเติบโตของพืช ได้แก่ กระตุ้นการแบ่งเซลล์ เร่งการขยายขนาดเซลล์ ควบคุมการแตกราก ยับยั้งการเจริญของตาข้าง ป้องกันการร่วงของใบ กิ่งและผล ไซโทไคนินเป็นฮอร์โมนพืชที่ส่งเสริมการแบ่งเซลล์ การขยายขนาดเซลล์ ส่งเสริมการสร้างและการเจริญของตา ช่วยในการงอกของเมล็ด ส่งเสริมการสร้างโปรตีน ชลอความเสื่อมตามอายุ (senescence) ซึ่งองค์ประกอบทางเคมี คือ 6-(4-hydroxy-3-methyl-trans-2-butenylamido) Purine สำหรับไซโทไคนินที่พบในพืชต่าง ๆ ล้วนเป็นอนุพันธ์ของ isopentenyl adenine

4. กรดนิวคลิอิก (nucleic acids) มีอยู่ 2 ชนิด คือ ribo nucleic acid (RNA) ทำหน้าที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โปรตีน และ deoxyribo nucleic acids (DNA) ทำหน้าที่เป็นศูนย์ข้อมูลทางพันธุกรรม

5. สารประกอบไนโตรเจนอื่น ๆ เช่น อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (adenosine triphosphate, ATP) โคเอนไซม์ (Co-enzymes) เช่น NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) และ NADP (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)

6. สารประกอบไนโตรเจนที่พืชสะสมไว้ (reserves) หรือทำหน้าที่ป้องกัน (protective compounds) เช่น แอลคาลอยด์ (alkaloids) ตัวอย่างของแอลคาลอยด์ที่รู้จักกันอย่างกว้างขวาง คือ นิโคติน (nicotine) จากใบยาสูบ และมอร์ฟีน (morphine) จากฝิ่น