Die gasförmige Form von Stickstoff macht 78% der Troposphäre aus. Sein Einbau in terrestrische stickstoffhaltige Verbindungen erfolgt über verschiedene Wege, darunter Mikroorganismen, Pflanzen sowie industrielle und landwirtschaftliche Aktivitäten des Menschen. Stickstoff aus der Luft wird von stickstofffixierenden Bakterien in Ammoniak umgewandelt. In den meisten Böden wird Ammonium durch aerobe Bakterien wie Nitrosomonas und Nitrobacter in einem Nitrifikationsprozess schnell zu Nitrit und in der Folge zu Nitrat oxidiert. Das Nitrat-Ion ist die stabile Form des Stickstoffs für sauerstoffhaltige Systeme. Nitrat ist sehr gut löslich und wird, sofern es nicht von den Pflanzenwurzeln abgefangen oder aufgenommen wird, mit dem Bewässerungs- oder Regenwasser in den Boden ausgewaschen oder durch den Abfluss abtransportiert. Nitrat und Nitrit treten im Trinkwasser hauptsächlich als Folge intensiver landwirtschaftlicher Tätigkeiten auf. Nitrathaltige Verbindungen im Boden sind im Allgemeinen löslich und wandern leicht ins Grundwasser. Die Verunreinigung des Bodens mit stickstoffhaltigen Düngemitteln, einschließlich wasserfreiem Ammoniak, sowie mit natürlichen organischen Abfällen von Tieren oder Menschen kann die Nitratkonzentration im Wasser erhöhen. Da Nitrit leicht zu Nitrat oxidiert wird, ist der Nitritgehalt im Wasser in der Regel gering, und Nitrat ist die Verbindung, die vorwiegend im Grundwasser und in Oberflächengewässern vorkommt. Da Stickstoff ein wesentliches Element für das Pflanzenwachstum ist, wird er von Pflanzen in Form von Ammonium oder Nitrat aus dem Bodenwasser aufgenommen. Die in den Pflanzen angesammelten Nitrate bilden eine Stickstoffreserve, die für die Aminosäure- und Proteinsynthese benötigt wird. Alle von den Pflanzenwurzeln aufgenommenen Nitrate werden einmal in der Pflanze zu Ammoniak reduziert, das als Vorstufe für die Proteinsynthese dient. Jeder Reduktionsschritt wird durch ein bestimmtes Enzym, die Reduktase, katalysiert.