Alle levende organismer har brug for kvælstof, som indgår i vigtige cellebestanddele som proteiner og nukleinsyrer (DNA og RNA). Dyr får deres behov for kvælstof dækket af indholdet i føden, mens alger, planter og bakterier optager uorganiske kvælstofforbindelser fra omgivelserne og selv indbygger dem i cellematerialet.

Kvælstof forekommer i naturen på flere forskellige former, dels som frit kvælstof, dinitrogen (N₂), der udgør 78 % af Jordens atmosfære, og dels bundet i forbindelser med andre grundstoffer, som f.eks. i nitrat, NO₃^-, og ammonium, NH₄⁺.

Frit kvælstof kan kun udnyttes af visse bakterier, mens alle andre organismer er afhængige af bundet kvælstof. I havet er mængden af bundet kvælstof så lille, at algevæksten oftest er kvælstofbegrænset. Det vil sige, at det er tilførslen af bundet kvælstof, der bestemmer, hvor hurtigt algerne kan vokse, og dermed hvor meget CO₂ de kan binde gennem fotosyntesen. Kvælstofomsætningen i havet spiller altså en nøglerolle for havets kulstofomsætning og dermed for havets optagelse af CO₂ fra atmosfæren.

Link til biologiske pumpe i CO₂-projektet

Puljerne af frit og bundet kvælstof er indbyrdes forbundet af flere forskellige reaktioner, der omdanner kvælstof fra en form til en anden, og som tilsammen udgør det, vi kalder kvælstofkredsløbet, se figuren.

Fælles for reaktionerne i kredsløbet er, at de alle kan udføres af mikroorganismer. Optagelse af nitrat og ammonium udføres også af større organismer som f.eks. planter, men de øvrige processer udføres stort set udelukkende af mikroorganismer. Nogle omdanner frit kvælstof til en bunden form og stimulerer derved algevæksten, mens andre transformerer bundet kvælstof tilbage til frit N₂ og hæmmer algevæksten gennem denne kvælstoffjernelse. Bakterier, der danner frit N₂, kan kun gøre det under forhold med meget lidt eller slet ingen ilt. Havets iltfattige zoner er således specielt vigtige for denne del af kvælstofkredsløbet.

På Galathea3 var der derfor specielt fokus på kvælstofomsætningen, da Vædderen passerede gennem iltsvindszonen ud for Chile og Peru.