固氮菌属于细菌的一科。菌体杆状、卵圆形或球形，无内生芽孢，革兰氏染色阴性。好氧，厌氧，兼性厌氧均有，有机营养型，能固定空气中的氮素。包括固氮菌属、氮单孢菌属、拜耶林克氏菌属和德克斯氏菌属。固氮菌肥料多由固氮菌属的成员制成。
共生固氮菌
在与植物共生的情况下才能固氮或才能有效地
固氮，固氮产物氨可直接为共生体提供
氮源。主要有
根瘤菌属（Rhizobium）的细菌与豆科植物共生形成的
根瘤共生体，弗氏菌属（Frankia,一种
放线菌）与非豆科植物共生形成的根瘤共生体；某些
蓝细菌与植物共生形成的共生体，如
念珠藻或
鱼腥藻与
裸子植物苏铁共生形成苏铁共生体，
红萍与鱼腥藻形成的红萍共生体等。根瘤菌生活在土壤中，以动植物残体为养料，过着“
腐生生活”。当土壤中有相应的豆科植物生长时，根瘤菌迅速向它根部靠拢，从
根毛弯曲处进入根部。豆科植物根部在
根瘤菌的刺激下迅速分裂膨大，形成“瘤子”，为根瘤菌提供了理想的活动场所，还供应了丰富的养料，让根瘤菌生长繁殖。根瘤菌又会卖力的从空气中吸收
氮气，为豆科植物制作“氮餐”，使其枝繁叶茂。这样，根瘤菌与豆科植物形成
共生关系，因此根瘤菌也被称为
共生固氮菌。根瘤菌生产出来的氮肥不仅满足豆科植物的需要，还可以分出一些帮助“远亲近邻”，储存一部分给“晚辈”，所以我国历来有种豆肥田的习惯。
自生固氮菌
还有一些固氮菌，如
圆褐固氮菌，它们不住在植物体内，能自己从空气中吸收氮气，繁殖后代，死后将遗体“捐赠”给植物，让植物得到大量氮肥。这类固氮菌叫
自生固氮菌。
培养
在实验条件下培养
自生固氮菌，培养基中只需加入
碳源（如蔗糖、葡萄糖）和少量无机盐，不需加入
氮源，固氮菌可直接利用空气中的氮（N2）作为
氮素营养；如培养
根瘤菌，则需加入氮素营养，因为根瘤菌等
共生固氮菌，只有与相应的植物共生时，才能利用分子态氮（N2）进行
固氮作用。
微生物肥料
1.固氮菌对
土壤酸碱度反应敏感，其最适宜pH为7.4～7.6，
酸性土壤上施用固氮菌肥时，应配合施用石灰以提高
固氮效率。过酸、过碱的肥料或有杀菌作用的农药，都不宜与固氮菌肥混施，以免发生强烈的抑制。
2.固氮菌对提高土壤湿度要求较高，当土壤湿度为田间最大
持水量的25%～40%时才开始生长，60%～70%时生长最好。因此，施用固氮菌肥时要注意
土壤水分条件。
3.固氮菌是中温性细菌，最适宜的生长温度为25～30℃，低于10℃或高于40℃时，生长就会受到抑制。因此，固氮菌肥要保存于阴凉处，并要保持一定的湿度，严防暴晒。
4.固氮菌只有在
碳水化合物丰富而又缺少
化合态氮的环境中，才能充分发挥
固氮作用。土壤中
碳氮比低于40～70:1时，固氮作用迅速停止。土壤中适宜的碳氮比是固氮菌发展成
优势菌种、固定
氮素最重要的条件。因此，固氮菌最好施在富含有机质的土壤上，或与
有机肥料配合施用。
5.土壤中施用大量氮肥后，应隔10d左右再施
固氮菌肥，否则会降低固氮菌的固氮能力。但固氮
菌剂与磷、钾及
微量元素肥料配合施用，则能促进固氮菌的活性，特别是在贫瘠的土壤上。
6.固氮菌肥适用于各种作物，特别是对禾本科作物和蔬菜中的叶菜类效果明显。固氮菌肥一般用作拌种，随拌随播，随即覆土，以避免阳光直射。也可蘸秧根或作基肥施在蔬菜苗床上，或与棉花盖种肥混施。也可追施于作物根部，或结合灌溉追施。
特性
在无氮培养、温度18~40℃时，菌株均能生长且有固氮酶活性，其最适生长及固氮的温度为26~37℃；在偏酸（pH值5.0）和偏碱（pH值8.0）的条件下，菌株均能保持较强的
生长势和较高的固氮酶活性，并能通过调节自身代谢适应环境的酸、碱变化，使培养液趋近中性；培养液中NaCl浓度在0.5~2.5g/L、(NH4)2SO4浓度在0.05~0.50g/L时，菌株均能保持旺盛生长且有较高的固氮酶活性。
发展
1901年，M.W.
拜耶林克首先发现并描述了这类细菌，他定名的有2个种：一是褐色固氮菌,常生存于中性或碱性土壤中；一是活泼固氮菌，常生存于水中。后来，各国学者相继分离出许多不同的菌株。1938年，C.H.维诺格拉茨基将生产
孢囊的菌株（以褐色固氮菌为代表）归属于
固氮菌属，将不产生孢囊的菌株（以活泼固氮菌为代表）归属于氮单孢菌属。1950年，H.G.德克斯提出建立
拜耶林克氏菌属，其主要特征是细胞两端有折光性颗粒（类脂质）。1960年，H.L.延森等提出建立
德克斯氏菌属，包括生长在热带
酸性土壤中的种类。
用途
在形形色色的固氮菌中，名声最大的要数
根瘤菌了。根瘤菌平常生活在土壤中，以动植物残体为养料，自由自在地过着“
腐生生活”。当土壤中有相应的豆科植物生长时，根瘤菌便迅速向它的根部靠拢，并从
根毛弯曲处进入根部。豆科植物的根部细胞在根瘤菌的刺激下加速分裂、膨大，形成了大大小小的“瘤子”，为根瘤菌提供了理想的活动场所，同时还供应丰富的养料，让根瘤菌生长繁殖。根瘤菌又会卖力地从空气中吸收氮气，为豆科植物制作“氮餐”，使它们枝繁叶茂，欣欣向荣。这样，根瘤菌与豆科植物结成了
共生关系，因此人们也把
根瘤叫
共生固氮菌。根瘤菌生产的氮肥不仅可以满足豆科植物的需要，而且还能分出一些来帮助“远亲近邻”，储存一部分留给“晚辈”，所以中国历来有种豆肥田的习惯。 还有一些固氮菌，比如
圆褐固氮菌，它们不住在植物体内，能自己从空气中吸收氮气，繁殖后代，死后将遗体“捐赠”给植物，使植物得到大量氮肥。这类固氮菌叫
自生固氮菌。
固氮菌肥料是利用
固氮微生物将大气中的分子态氮气转化为农作物能利用的氨，进而为其提供
合成蛋白质所必需的
氮素营养的肥料。微生物自生或与植物共生，将大气中的分子态
氮气转化为农作物可吸收的氨的过程，称为
生物固氮。生物固氮是在极其温和的常温
常压条件下进行的生物化学反应，不需要化肥生产中的高温、高压和催化剂，因此，生物固氮是最便宜、最干净、效率最高的施肥过程。固氮菌肥料是最理想的、最有发展前途的肥料。
目前固氮菌肥料的生产基本上采用液体发酵的方法。产品可分液体菌剂和固体菌剂。从
发酵罐发酵结束后及时分装即成液体菌剂，发酵好的液体再用灭菌的
草炭等载体吸附剂进行吸附即成固体菌剂。固氮菌肥料是含有大量好气性自身固氮菌的
微生物肥料。自身固氮菌不与
高等植物共生，没有寄主选择，而是独立生存于土壤中，利用土壤中的
有机质或根系分泌的有机物作碳源来固定空气中的
氮素，或直接利用土壤中的无机氮化合物。固氮菌在土壤中分布很广，其分布主要受土壤中有机质含量、酸碱度、土壤湿度、
土壤熟化程度及速效磷、钾、钙含量的影响。固氮菌肥料是含有大量好气性自身固氮菌的微生物肥料。自身固氮菌不与高等植物共生，没有寄主选择，而是独立生存于土壤中，利用土壤中的有机质或根系分泌的有机物作
碳源来固定空气中的氮素，或直接利用土壤中的无机氮化合物。固氮菌在土壤中分布很广，其分布主要受土壤中
有机质含量、酸碱度、土壤湿度、土壤熟化程度及速效磷、钾、钙含量的影响。固氮菌肥对棉花、水稻、小麦、花生、油菜、玉米、高粱、马铃薯、烟草、甘蔗以及各种蔬菜都有一定增产作用。
原理
氮气是空气中的主要成分，占空气总量的五分之四。然而由于氮气分子被三条“绳索”--
化学键所束缚，因此大部分植物只能“望氮兴叹”。固氮菌的本领在于它有一把“神刀”--
固氮酶（含有Fe Co Mo即铁钴钼），可以轻易地切断束缚氮分子的化学键，把氮分子变为能被植物消化、吸收的氮原子。 俄罗斯
莫斯科大学生化物理研究所的科研人员别尔佐娃经过多年探索研究，成功地解释了固氮菌在空气中生存固氮的机理。别尔佐娃由此获得了2002年的
欧洲科学院青年科学家奖。
在几十亿年前的太古时代，大气层中没有氧，地球上生存着大量的厌氧性生物。在地球上第一次大灾难发生后，地球表面出现了很多氧。大量厌氧性生物由于氧的出现而消失了，但有少量厌氧性生物由于躲藏在无氧、不透气的淤泥、沼泽地和深层土壤中而存活至今。但也有一部分厌氧性生物如固氮菌，它适应了环境，能够在含氧21%的大气层中存活，并从空气中吸收氮气。
固氮菌缘何没有灭亡，而在氧性环境中生存了下来。别尔佐娃经过多年研究揭示了它生存与
固氮的奥秘。别尔佐娃发现，固氮菌内部氧的浓度低于外部，也就是说，固氮菌拥有自身保护办法，它的
呼吸链中有一种能够处理氧的特殊酶。别尔佐娃推测，在固氮菌呼吸链中很活跃的、开始阶段起辅助作用的特殊酶在处理氧的过程中起了主要作用。别尔佐娃通过实验观察确认，正是这种很活跃的酶帮助固氮菌完成氧吸收与处理任务。在这种特殊酶的带动下，其余的酶才开始工作、开始固氮。为了进一步验证实验结果，别尔佐娃将固氮菌中那个特殊的酶除掉，结果发现，固氮菌立即丧失了在氧环境中固定氮的能力。
有关专家指出，别尔佐娃的研究成果促进了生物学的发展，对目前正在开展的人工活器官研究工作有重要意义。
前景
现在人类生产氮肥使用的化学方法。不仅需要高温、高压等非常苛刻的条件，而且还浪费大量原料，氮分子的有效利用率很低。固氮菌每年从空气中约固定1.5亿吨氮肥，是全世界生产氮肥总量的几倍。所以，科学家正在认真研究固氮酶的构成。中国科学家在本世纪70年代仿制出与固氮酶功能相似、能够固氮的分子。相信在不远的将来，人类一定能学会并利用固氮菌“巧施氮肥”的本领。