Im Stickstoffkreislauf gehen Hülsenfrüchte eine Symbiose mit bestimmten Bakterienarten ein, die an einem als "Stickstofffixierung" bekannten Prozess beteiligt sind. Die Hülsenfrüchte liefern den Mikroorganismen die erforderliche Energie, um die Prozess, während die Bakterien den eingefangenen Stickstoff aus der Luft in eine nutzbare Form fixieren, die von den Hülsenfrüchten als Nahrung aufgenommen wird.
Stickstoff ist ein wichtiger Bestandteil bei der Produktion von Aminosäuren und Proteinen, die wesentliche Lebensprozesse antreiben. Der Stickstoffkreislauf bezieht sich auf die Bewegung von Stickstoff aus der Atmosphäre in lebende Organismen, wo der Stickstoff schließlich wieder in die Umwelt zirkuliert. Höhere Organismen wie Pflanzen und Tiere können den in der Luft reichlich vorhandenen Stickstoff nicht direkt nutzen. Der Stickstoff muss von Bakterien und Algen fixiert werden, bevor er im Körper verwertet werden kann.
Der Stickstoffkreislauf ist in drei Schritte unterteilt: Stickstofffixierung, Nitrifikation und Denitrifikation. Die wichtigsten Akteure bei der Stickstofffixierung sind Hülsenfrüchte wie Luzerne, Klee und Sojabohnen sowie stickstoffbindende Bakterien wie Rhizobium, Bradyrhizobium und Azorhizobium. Die Bakterien infizieren die Hülsenfrüchte und bilden Wurzelknötchen. Sobald sie fest in den Knötchen eingebettet sind, werden die Bakterien unbeweglich. Die Knötchen sind die Quellen der Kohlenstoffskelette oder Photosynthese, die die Bakterien benötigen, um den Prozess der Stickstofffixierung voranzutreiben. Nach Bereitstellung der Energie fangen diese Mikroorganismen den Stickstoff aus der Luft ein und wandeln ihn in Ammoniak um. Die Hülsenfrüchte nehmen das als Nährstoffe zu verwendende Ammoniak auf.
