Il ciclo del carbonio è il ciclo biogeochimico attraverso il quale il carbonio viene scambiato tra la geosfera (all'interno della quale si considerano i sedimenti e i combustibili fossili), l'idrosfera (mari e oceani), la biosfera (comprese le acque dolci) e l'atmosfera della Terra. Tutte queste porzioni della Terra sono considerabili a tutti gli effetti riserve di carbonio (carbon sinks).

Il ciclo è infatti solitamente inteso come l'interscambio dinamico tra questi quattro distretti. Le dinamiche di interscambio sono legate a processi chimici, fisici, geologici e biologici. Sembra che anche altri corpi celesti possano avere un ciclo del carbonio, ma esistono pochissime informazioni a riguardo.

Il bilancio globale del carbonio è il bilancio degli scambi (entrate e perdite) tra le riserve di carbonio o tra uno specifico ciclo (ad es. atmosfera-biosfera) del ciclo del carbonio. Un esame del bilancio di carbonio di una riserva può fornire informazioni se questa stia funzionando da fonte o da consumatore dei biossidi di carbonio.

Azotofissazione

La fissazione dell'azoto atmosferico o azotofissazione consiste nella riduzione, tramite la nitrogenasi, dell'azoto molecolare (N2) in azoto ammonico (NH3). L'azoto ammonico è successivamente reso disponibile per molte importanti molecole biologiche quali gli amminoacidi, le proteine, le vitamine e gli acidi nucleici attraverso i processi di nitrificazione e nitratazione. La reazione di azotofissazione può essere descritta come segue:

N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP → 2NH3 + 16ADP + 16 Pi + 1 H2

L'idrogeno impiegato in tale reazione deriva dall'ossidazione di carboidrati, dalla quale gli agenti azotofissatori ricavano anche l'energia necessaria (sotto forma di ATP). Inoltre vengono implicati anche catalizzatori metallici quali molibdeno (Mo) e vanadio (V). Questa azione viene svolta dai diazotrofi, microrganismi liberi nel suolo e nelle acque o legati in simbiosi con piante superiori.

Nitrificazione e Denitrificazione

La nitrificazione: la trasformazione dell'ammoniaca (NH3) e ioni ammonio (NH4+) in ioni nitrito (NO2-) e successivamente ioni nitrato (NO3-).

Gran parte dell'azoto presente nel suolo si trova sotto forma di ammoniaca e ioni ammonio, derivanti dalla degradazione di proteine, urea o acido urico e tossici per tutti gli organismi viventi. La riconversione di queste sostanze in un composto assimilabile dalle piante avviene tramite i processi di nitrificazione e di nitratazione operati da microrganismi, che ricavano energia metabolica dalle reazioni che catalizzano (e che pertanto, dato che utilizzano composti inorganici per il loro normale metabolismo, rientrano a pieno diritto nel livello trofico dei produttori).

La denitrificazione è un processo nell'ambito del ciclo dell'azoto nel terreno, che comporta la riduzione dell'azoto nitrico con formazione di gas che si liberano nell'atmosfera (N2, N2O).

La denitrificazione: processo è attuato da batteri anaerobi appartenenti ai generi Achromobacter, Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas, Spirillum. In condizioni di anaerobiosi questi batteri sfruttano la respirazione anaerobica utilizzando come accettore finale lo ione NO3- (ione nitrato) al posto dell'ossigeno.

I prodotti finali della denitrificazione in senso lato sono l'azoto elementare (N2), l'ossido di diazoto (N2O), lo ione nitrito (NO2-), lo ione ammonio (NH4+). Va specificato, però, che la riduzione a ione nitrito e a ione ammonio sono processi reversibili in quanto inversi, rispettivamente, alla nitratazione o nitricazione e alla nitrificazione. Ai fini agronomici, pertanto, la denitrificazione in senso stretto fa riferimento ai processi irreversibili che comportano la perdita dell'azoto nell'atmosfera sotto forma di elemento o di ossido.

Ammonificazione

Prende il nome di ammonificazione il processo catabolico di scissione delle proteine in amminoacidi chiamato anche proteolisi.

Avviene attraverso due fasi:mineralizzazione (operata da azoto proteico, consiste nella trasformazione dell'acido α-chetoglutarico in acido glutammico ad opera dell'enzima transaminasi) deamminazione (operata da un enzima flavinico ridotto, il FAD, porta alla produzione di un complesso enzimatico chiamato glutammico deidrogenasi, cioè formazione di ammoniaca-NH3 ed enzima piridinico ossidato NADH+H+). Importante in questa fase è l'azione svolta dal FAD attraverso la amminoacido ossidasi. L'enzima si riduce producendo FADH2 e l'acido glutammico si trasforma in glutammina+NH3. Il processo può anche essere riassunto come:

AC.GLUTAMMICO+FAD+H2O → GLUTAMMINA+FADH2+NH3

Le forme ridotte dell'amminoacido ossidasi sono riossidate direttamente dall'ossigeno molecolare:

E-FADH2+O2 → E-FAD+H2O2

L'acqua ossigenata prodotta viene smaltita per intervento di altri due enzimi:

SubH2+H2O2 → Sub+2H2O2

Perossidasi:

2H2O2 → 2H2O+O2

Catalisi l'ossigeno si ossida e si riduce contemporaneamente.