能够还原分子态氮为氨态氮的微生物。生物固氮作用是自然界中分子态氮转化为氮素化合物的主要作用。全世界每年由于生物固氮作用所固定的氮素量可达63～175百万吨，对农业生产具有重大意义。

固氮微生物是指通过生命活动，将空气中游离态的氮素直接转变为含氮化合物的微生物。固氮微生物种类很多，可分为：好气性自生固氮微生物，厌氧性自生固氮微生物和共生固氮微生物三大类群。前二者独立存在于土壤之中；后者与高等植物如根瘤菌等共生时才能固氮。固定的氮素除供自身生长发育外，部分以无机状态或简单的有机氮化物分泌于体外，供植物吸收利用。

虽然在古老的农业生产实践中，人们已经认识到种植豆类等作物能够肥田，但对于它们肥田本质的科学理解是在19世纪末。1888年，德国人H.黑里格尔和H.维尔法特证实了只有结瘤的豆类才能利用空气中的分子态氮。同年，荷兰人M.W.拜耶林克从根瘤中分离出根瘤菌的纯培养。1893年，俄国人C.H.维诺格拉茨基分离出能固氮的梭菌。这些工作开创了研究生物固氮和固氮微生物的科学领域。

由于研究手段的限制，在20世纪40年代以前，只证实了个别微生物的固氮能力。50年代以来，由于同位素标记技术（13N、15N）和乙炔还原法的应用,证实了许多原核生物都能固氮，但至今还没有发现肯定能够固氮的真核生物。在原核生物的许多种群中都有能固氮的种类，它们各自需要特定的生活条件。按照不同微生物种类的生活和固氮条件的特殊性，可以将固氮微生物区分为若干生理、生态群。

光合固氮微生物 　能进行光合作用，以二氧化碳为碳源、光合产物为能源进行固氮作用的微生物。有蓝细菌（见蓝藻门）中的许多属种（如念珠藻属、鱼腥藻属等）和光合细菌中的红螺菌属以及绿硫菌属等。

化能自养固氮微生物 　有些化能自养微生物（如氧化亚铁硫杆菌等）能以二氧化碳、亚铁氧化物和分子态氮为碳、能、氮源。

异养固氮微生物 　进行异养生活，以适宜的有机碳化合物为碳源和能源，满足生活和固氮的需要。这个生理、生态群包括许多种类，如固氮菌科的所有属、芽孢杆菌属、梭菌属的一些种、固氮螺菌属、肠杆菌科的一些属种、反硫化细菌、产甲烷细菌和其他一些异养细菌的种类。

有些微生物种类只能或主要是在与其他生物营共生或联合生活时固氮。

根瘤菌和豆类共生体系 　许多种豆类植物能和根瘤菌属的相应种共生。根瘤菌侵入寄生根内，刺激寄主根上形成根瘤,根瘤菌在根瘤内定居并固氮。豆类植物和根瘤菌的共生关系具有属种的专性，一种或一株根瘤菌只能在一定的豆类植物种或品种上共生、结瘤、固氮（见根瘤菌科）。一些重要豆科作物种类和根瘤菌的专适共生关系如下：

苜蓿根瘤菌──苜蓿、草木樨

三叶草根瘤菌──三叶草

豌豆根瘤菌──豌豆、蚕豆

菜豆根瘤菌──菜豆

紫云英根瘤菌──紫云英

大豆根瘤菌──大豆

蚕豆根瘤菌──蚕豆、菜豆，豇豆

豇豆根瘤菌──豇豆、花生、绿豆、赤豆、柽麻、扁豆、刀豆等

非豆类种子植物及其内生菌的共生固氮体系 　有些非豆类种子植物也能和某种固氮微生物共生形成根瘤并固氮，如桤木属、杨梅属、木麻黄属等种类的根瘤内有弗兰克氏属放线菌营共生固氮作用。

红萍（又称绿萍，学名满江红）和鱼腥藻联合体系 红萍鳞片叶的叶腔内有鱼腥藻生长，行共生固氮作用。

固氮地衣 　有些地衣的光合伙伴是固氮蓝细菌，能进行固氮作用。

一切固氮微生物都含有固氮酶，固氮酶催化分子态氮还原为氨（见生物固氮作用）。由于固氮微生物也能利用其他氮源，固氮作用并不是固氮微生物的必需生理功能，所以许多种固氮微生物的生活条件和固氮条件并不完全一致。氮是植物生长的重要营养元素之一，利用固氮微生物提高农作物产量、降低生产成本，是一项重要的农业科学技术。

名称 代谢类型 生态地位 碳源 氮源 能量来源

根瘤菌 异养需氧型 消费者 有机物 N2 有机物

圆褐固氮菌 异养需氧型 分解者 有机物 N2 有机物