De to største puljer af kvælstof på Jorden er dels kvælstof bundet som ammonium, NH₄⁺, i klipper og i havbunden, og dels puljen af frit kvælstof i atmosfæren, N₂, der findes på gasform.

Kun en meget lille del af kvælstoffet på jorden indgår i levende organismer. Denne lille pulje udveksles primært med det atmosfæriske kvælstof, se figuren, mens udvekslingen med kvælstofpuljen i havbund og klipper er meget lille.

Det er kun bestemte arter af bakterier, der er i stand til at binde og omdanne atmosfærens frie kvælstof. Det sker gennem en proces, vi kalder kvælstoffiksering.

Kvælstoffiksering: N₂ → NH₄⁺ → organisk bundet kvælstof

Her omdanner bakterierne kvælstofgassen til organisk bundet kvælstof. Senere kan andre bakterier nedbryde det organiske stof og frigive det organisk bundne kvælstof igen som ammonium NH₄⁺. Processen hedder ammonifikation.

Nedbrydning (ammonifikation): Organisk bundet kvælstof → NH₄⁺

Når der er ilt til stede i miljøet, omdanner nogle bakterier ammonium til nitrit, NO2- og andre nitrit til nitrat, NO₃^-. Tilsammen kalder man processen nitrifikation.

Nitrifikation: NH₄⁺ → NO₂^- → NO₃^-

Det er de uorganiske kvælstofformer, NH₄⁺ og NO3-, planter kan optage som gødning, hvilket man kalder assimilation.

Omkring 1900-tallet opfandt den tyske kemiker Fritz Haber en metode, hvormed man kemisk kan lave kvælstoffiksering og derved producere plantegødning. Metoden krævede en bunke energi og Habers kollega, Bosch, fandt nogle år senere en metode til at reducere energiforbruget. I dag producerer man industrielt ca. 80 millioner tons kvælstofgødning om året ved den såkaldte Haber-Bosch metode. Sammenlignet med størrelsen af den naturlige kvælstoffiksering, er det en forholdsvis begrænset mængde, se figuren.