નાઇટ્રોજન ચક્ર એ પ્રકૃતિમાં સૌથી મહત્વપૂર્ણ અને જટિલ પોષક ચક્રોમાંનું એક છે, કારણ કે નાઇટ્રોજન એ પ્રોટીન, ડીએનએ (DNA) અને ક્લોરોફિલ જેવા તમામ જીવંત સજીવો માટે આવશ્યક અણુઓનો મુખ્ય ઘટક છે. જોકે વાતાવરણમાં આશરે ૭૮% નાઇટ્રોજન વાયુ (N2) સ્વરૂપે હોય છે, પરંતુ મોટાભાગના સજીવો આ સ્વરૂપમાં તેનો સીધો ઉપયોગ કરી શકતા નથી. નાઇટ્રોજન ચક્ર આ વાયુરૂપ નાઇટ્રોજનને એવા સ્વરૂપોમાં રૂપાંતરિત કરે છે જેનો ઉપયોગ છોડ કરી શકે છે અને ત્યારબાદ તે સમગ્ર આહાર શૃંખલામાં ફરે છે. આ ચક્ર મુખ્યત્વે પાંચ તબક્કામાં વહેંચાયેલું છે:

૧. નાઇટ્રોજન સ્થાપન (Nitrogen Fixation)

આ પ્રક્રિયા વાતાવરણમાં રહેલા નિષ્ક્રિય નાઇટ્રોજન વાયુ (N2) ને એમોનિયા (NH3) અથવા એમોનિયમ (NH4+) જેવા ઉપયોગી સંયોજનોમાં રૂપાંતરિત કરે છે. આ રૂપાંતર બે રીતે થાય છે:

• જૈવિક નાઇટ્રોજન સ્થાપન: અમુક વિશિષ્ટ બેક્ટેરિયા, જેમ કે કઠોળ વર્ગના છોડ (જેમ કે મગફળી, વટાણા, મગ) ના મૂળની મૂળગંડિકાઓમાં રહેતા રાઇઝોબિયમ બેક્ટેરિયા અને મુક્તજીવી એઝેટોબેક્ટર, વાતાવરણના નાઇટ્રોજનને શોષીને તેને એમોનિયામાં ફેરવે છે.

• ભૌતિક નાઇટ્રોજન સ્થાપન: જ્યારે આકાશમાં વીજળી થાય છે, ત્યારે ઉચ્ચ તાપમાન અને દબાણને કારણે વાતાવરણનો નાઇટ્રોજન ઓક્સિજન સાથે પ્રક્રિયા કરીને નાઇટ્રોજનના ઓક્સાઇડ બનાવે છે. આ ઓક્સાઇડ વરસાદના પાણીમાં ઓગળીને નાઇટ્રિક એસિડ તરીકે જમીનમાં ઉતરે છે અને ત્યાં અન્ય તત્વો સાથે પ્રક્રિયા કરીને નાઇટ્રેટ બનાવે છે.

૨. નાઇટ્રિફિકેશન (Nitrification)

આ તબક્કામાં, જમીનમાં રહેલા ચોક્કસ બેક્ટેરિયા એમોનિયા (અથવા સ્થાપન પ્રક્રિયામાંથી બનેલા એમોનિયમ) નું રૂપાંતર છોડ દ્વારા સરળતાથી શોષી શકાય તેવા નાઇટ્રેટમાં કરે છે. આ પ્રક્રિયા બે તબક્કામાં થાય છે:

• પ્રથમ, નાઇટ્રોસોમોનાસ જેવા બેક્ટેરિયા એમોનિયાને નાઇટ્રાઇટ (NO2-) માં ફેરવે છે.

• બીજું, નાઇટ્રોબેક્ટર જેવા બેક્ટેરિયા નાઇટ્રાઇટને નાઇટ્રેટ (NO3-) માં ફેરવે છે. નાઇટ્રેટ એ છોડ માટે નાઇટ્રોજનનું સૌથી પસંદગીનું સ્વરૂપ છે.

૩. એસિમિલેશન (Assimilation)

આ પ્રક્રિયામાં છોડ પોતાના મૂળ દ્વારા જમીનમાંથી નાઇટ્રેટ અને એમોનિયમને શોષી લે છે. છોડ આ નાઇટ્રોજન સંયોજનોનો ઉપયોગ પ્રોટીન, એમિનો એસિડ, ડીએનએ અને અન્ય આવશ્યક જૈવિક અણુઓના નિર્માણ માટે કરે છે. જ્યારે પ્રાણીઓ આ છોડને ખાય છે, ત્યારે આ કાર્બનિક નાઇટ્રોજન સંયોજનો આહાર શૃંખલા દ્વારા પ્રાણીઓના શરીરમાં પ્રવેશે છે. આ રીતે, નાઇટ્રોજન જૈવિક સજીવોનો ભાગ બને છે.

૪. એમોનિફિકેશન (Ammonification)

જ્યારે સજીવો (છોડ અને પ્રાણીઓ) મૃત્યુ પામે છે અથવા જ્યારે પ્રાણીઓ ઉત્સર્જન (જેમ કે મૂત્ર અને મળ) કરે છે, ત્યારે તેમના શરીરમાં રહેલા જટિલ કાર્બનિક નાઇટ્રોજન સંયોજનો જમીનમાં ભળે છે. જમીનમાં રહેલા બેક્ટેરિયા અને ફૂગ (જેમને વિઘટકો તરીકે ઓળખવામાં આવે છે) આ કાર્બનિક દ્રવ્યોને તોડીને નાઇટ્રોજનને ફરીથી એમોનિયા અથવા એમોનિયમ સ્વરૂપે મુક્ત કરે છે. આ પ્રક્રિયાને એમોનિફિકેશન કહેવામાં આવે છે. આ એમોનિયા ફરીથી નાઇટ્રિફિકેશન પ્રક્રિયામાંથી પસાર થઈ શકે છે અથવા છોડ દ્વારા શોષાઈ શકે છે.

૫. ડીનાઇટ્રિફિકેશન (Denitrification)

આ નાઇટ્રોજન ચક્રનો છેલ્લો અને મહત્વપૂર્ણ તબક્કો છે જે નાઇટ્રોજનને ફરીથી વાતાવરણમાં મુક્ત કરે છે. જ્યારે જમીનમાં ઓક્સિજનનું પ્રમાણ ઓછું હોય (જેમ કે જલાક્રાંત અથવા ખૂબ જ ઘટ્ટ જમીનમાં), ત્યારે સ્યુડોમોનાસ જેવા ડીનાઇટ્રિફાઇંગ બેક્ટેરિયા સક્રિય થાય છે. આ બેક્ટેરિયા જમીનમાં રહેલા નાઇટ્રેટ (NO3-) નો ઉપયોગ કરે છે અને તેને નાઇટ્રોજન વાયુ (N2) અથવા નાઇટ્રસ ઓક્સાઇડ (N2O) માં રૂપાંતરિત કરે છે. આ નાઇટ્રોજન વાયુ ફરીથી વાતાવરણમાં મુક્ત થાય છે, આ રીતે ચક્ર પૂર્ણ થાય છે અને વાતાવરણમાં નાઇટ્રોજનનું પ્રમાણ જળવાઈ રહે છે.