生物固氮是将大气中分子态氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程，生物界中只有原核生物才具有固氮能力。生物固氮反应是一种极其温和以及零污染排放的生化反应，比化学固氮有更大的优越性，大气中90%以上的分子态氮，都是由微生物固定成氮化物的，生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应。

1）固氮微生物

目前知道固氮微生物有200余属，全部为原核生物（包括古生菌），主要包括细菌、放线菌和蓝细菌，其中尤以根瘤菌与豆科植物所形成共生体的固氮效率最高。根据固氮微生物与高等植物及其他生物的关系，可将它们分为以下3类：

（1）自生固氮微生物

自生固氮微生物指独立生活状况下能够固氮的微生物。生活在土壤或水域中，能独立地进行固氮，但并不将氨释放到环境中，而是合成氨基酸，组成自身蛋白质。自生固氮微生物的固氮效率较低，每消耗1 g葡萄糖只能固定10～20 mg氮。

（2）共生固氮微生物

共生固氮微生物指与其他生物形成共生体，在共生体内进行固氮的微生物。只有在与其他生物紧密地生活在一起的情况下，才能固氮或才能有效地固氮；并将固氮产物氨，通过根瘤细胞酶系统的作用，即时运送给植物体各部，直接为共生体提供氮源。同时，共生体系的固氮效率比自生固氮体系高得多，每消耗1 g葡萄糖大约能固定280 mg氮。

（3）联合固氮微生物

联合固氮微生物指生活在高等植物根际、与高等植物之间有较强的专一性，但不形成根瘤的固氮微生物的固氮作用。联合固氮作用是固氮微生物与植物之间存在的一种简单共生现象。它既不同于典型的共生固氮作用，也不同于自生固氮作用。这些固氮微生物仅存在于相应植物的根际，不形成根瘤，但有较强的专一性，固氮效率比在自生条件下高。通常在水域环境中，共生性固氮系统不常见。大量的氮主要靠自由生活的微生物固定，在有氧区主要是蓝细菌的作用，在无氧区主要是梭菌的作用。

2）固氮的生化机制

（1）生物固氮的六要素(www.daowen.com)

①ATP的供应：N≡N分子中存在3个共价键，要把这种极端稳固的分子打开需费巨大能量。固氮过程中把N2还原2NH3时消耗大量ATP［N2∶ATP=1∶（16～24）］，由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合磷酸化作用提供。

②还原力［H］及其传递载体：固氮反应中需大量还原力（N2∶［H］=1∶8），以NAD（P）H+H+的形式提供。

③固氮酶：固氮酶是一种复合蛋白，由固二氮酶和固二氮酶还原酶两种相互分离的蛋白构成。

④还原底物：N2。

⑤Mg2+。

⑥严格的厌氧微环境。

（2）固氮的生化途径

目前所知道的生物固氮总反应：

必须强调指出的是，上述一切生化反应都必须受活细胞中各种“氧碍”的严密保护，以保证固氮酶免遭失活。