土壤微生物在控制土壤中发现的各种化学元素的数量和形式方面发挥着很大的影响。最值得注意的是碳、氮、硫和磷的循环，所有这些都是对土壤肥力很重要的元素，正如我们今天所知，它们可能与全球环境现象有关。土壤微生物对有机物质的矿化作用（即元素的有机形式转化为无机形式）释放出二氧化碳、铵（土壤微生物迅速转化为硝酸盐）、硫酸盐、磷酸盐和其他元素的无机形式。这是世界所有主要生态系统中养分循环的基础。John Burroughs 曾经说过：“没有死亡和腐朽，生命怎么可能继续？” 毫无疑问，他指的是死去的动植物养分的矿化。我们现在知道，土壤微生物以非凡的热情完成了这项任务，并且在此过程中，很大一部分（可能多达三分之一）的分解物质转化为土壤微生物的身体。该微生物生物质库构成土壤有机质的一部分，其转换（循环）相当快，因此代表了土壤中的“肥力缓冲”。不要忘记，通过微生物呼吸释放二氧化碳使藻类和绿色植物继续进行光合作用（即二氧化碳固定）成为可能，从而产生更多的有机物质，最终可能到达土壤，从而完成循环。
在世界农业土壤中，作为我们食物供应的来源，土壤微生物对氮的矿化是一个最重要的过程。在那些没有接受外部氮肥输入的土壤中（例如大多数林地和许多草地），铵从有机碎片中的释放使得新植物物质的持续生长成为可能。因此，如果其他环境因素（水分、温度）合适，则控制这些土壤生产力的是土壤微生物种群。事实上，土壤施肥代表了我们试图平衡植物和土壤微生物之间对可用土壤氮的竞争。氮结合（同化到细胞成分中）) 在该组织被其他微生物分解之前，植物或其他微生物无法获得。换句话说，组织中所含的氮被认为是固定的。微生物是这些营养物质再活化的关键。这些矿化/固定化现象对所有元素都是常见的，但通常它们仅对氮、磷和硫等常量营养素具有农业重要性。
除了它们在控制无机形式的氮和硫的产生速率方面的作用之外，土壤微生物，特别是土壤细菌，还可以控制这些养分出现的离子形式。例如，土壤中的铵（NH 4 +）通常首先被细菌迅速氧化成亚硝酸盐（NO
有许多细菌可以氧化还原的硫化合物。然而，这种活动的大部分，尤其是硫和黄铁矿的氧化，可归因于硫杆菌属的细菌（硫 = 硫；芽孢杆菌 = 棒状细菌）。 氧化硫杆菌可以将元素硫氧化成硫酸。因此，硫可用于降低碱性土壤的 pH 值。 氧化亚铁硫杆菌攻击黄铁矿中的铁和硫，在此过程中生成硫酸和溶解的铁。这也是与全世界煤炭开采相关 的酸性矿山排水的基础。
长期施用铵基肥料同样会通过细菌硝化作用（铵转化为硝酸盐同时产生酸度）导致农业土壤酸化。因此，我们看到某些环境问题可能源于这些化学自养土壤细菌的活动。
养分循环的另一个重要方面是，在某些情况下，氮和硫可能会转化为气态（挥发）并流失到大气中。土壤细菌在厌氧条件下通过反硝化（NO 3 -细菌还原为N 2 O 或N 2 ）的过程，可以将硝酸盐形式的氮转化为一氧化二氮（N2O）和二氮（N2）等气体. 反硝化作用的结果是氮（植物宝贵的营养物质）从土壤中流失。另一方面，这个过程是从废水中去除过量硝酸盐的有用方法。
硫酸盐 (SO 4 -2 ) 形式的硫被脱硫弧菌属等厌氧菌使用，将其转化为硫化氢气体 (H 2 S)。硫化氢与金属离子反应生成非常难溶的金属硫化物，如黄铁矿（Fe 2S)。事实上，与煤层相关的黄铁矿很可能是很久以前这些细菌的作用而沉积的。盐沼土壤的黑色和与之相关的臭鸡蛋味是这些栖息地中硫酸盐还原细菌活动的结果。他们证明了厌氧条件的发生。土壤中的硫挥发代表植物养分的损失以及大气硫的贡献，这可能导致酸沉淀现象。
我们在上面提到过，氮会从农业土壤以及其他生态系统中流失。幸运的是，陆地氮循环中的这种“泄漏”至少可以通过另一种称为生物固氮的重要生物过程得到部分替代。在这个过程中，这是细菌和一些其他微生物所独有的，特别是蓝细菌（蓝绿藻），大气中的二氮（N 2）被捕获并转化为植物可利用的形式。生物固氮是由自由生活的细菌和蓝细菌以及由与高等植物以多种互惠共生关联的共生微生物进行的。
共生固氮最有用且可能最广为人知的例子是根瘤菌-豆科植物根瘤共生。属于 根瘤菌属和慢生根瘤菌属的土壤细菌（以及其他一些）能够在特定豆科植物（豌豆、豆类、花生、大豆、紫花苜蓿等植物）的根部诱导结瘤的形成，并在这些结构中固定大量的氮。在根瘤中，细菌获得了固氮所需的碳源（来自植物的光合产物）。作为对这种碳的回报，细菌固定大气中的氮，这些氮被转化为植物用于生长的氨基酸。这种独特的植物-微生物伙伴关系的结果是，许多豆科植物对氮来说是自给自足的，也就是说，它们几乎不依赖于土壤中的氮供应。难怪这些植物在世界各地被种植作为食物、纤维和草料的来源。全球近三分之二的人 s 氮供应来自生物固氮。自有记载的历史开始以来，豆类就被用作“土壤改良”作物，被称为“绿肥”。绿肥是种植豆科植物的唯一目的是将其返回土壤作为随后作物的氮源的做法。