氮素是构成所有生物机体的重要元素之一。地球生态系统中最重要的是有机物生产者——植物，其生长发育必需营养元素第一位就是氮素。氮素主要存在于大气中，但是气态的氮不能被植物直接吸收和利用，只有以铵离子、亚硝酸根离子的形式才能被植物直接吸收。在自然界所有生物中，只有微生物中的部分原核类群（固氮微生物）能够打开大气氮素营养库的大门，使分子态氮作为营养成分进入生物有机体。
微生物
尽管能固氮的微生物多种多样，但他们固氮的基本反应都是相同的。
N2+8e+8H++nATP+Nase（固氨酶）→2NH3+H2+nADP+nPi
要进行固氮必须满足以下基本条件：必须有具固氮活性的固氮酶；必须有电子和质子供体，每还原1分子氮需要6个电子和6个质子，另有2个质子和电子用于生成H2，为了传递电子和质子，还需要相应的电子传递链；必须有能量供给，因为氮分子具有键能很高的三价键（N三N），打开它需要很大的能量；有严格的无氧环境或保护固氮酶的机制，因为固氮酶对氧具有高度敏感性，遇氧即失活；形成的氨必须及时转运或转化排除，否则会产生氨的反馈阻抑效应。
尽管自然界中固氮微生物多种多样，但孤单微生物所含固氮酶的组成大致相似，都是由2个亚单位即组分ImoFe蛋白、组分II Fe蛋白和一个辅因子（FeMoco）组成。
固氮过程中，由呼吸作用、发酵、光合作用过程中产生的电子和质子首先还原NAD或NADP成为NADH或NADPH，由还原态的NADH或NADPH还原Fd或Fld，再还原固氮酶组分II即Fe蛋白，由还原态的Fe蛋白还原固氮酶组分I即MoFe蛋白，还原态的MoFe蛋白还原N2和其他各种底物。
1.氧对固氮酶的影响
固氮酶的一个重要特征是对氧具有高度敏感性，其催化固氮反应必须在无氧条件下进行。高浓度氧可对固氮酶的合成产生完全阻遏作用。分子生物学研究表明，随着氧浓度的变化，固氮酶的合成可被“启动”或“关闭”。氧对已合成的固氮酶两种组分可造成不可逆的损伤，使固氮酶丧失活性。而且氧可氧化固氮过程中的电子载体而使电子无法到达固氮酶。好氧型固氮微生物的生长和固氮对氧的要求完全相反，这就要求具备保护固氮酶的防氧机制。这些机制中主要有加强呼吸强度的呼吸保护，利用构想改变来防止氧对固氮酶上海的构想保护，具有较厚的夹膜或黏液层阻拦氧的渗入，固氮蓝细菌形成许多后壁固氮异形胞和在根瘤菌细胞中形成豆血红蛋白有效地为根瘤菌提供高流速低流量的氧用于氧化磷酸化等。
2.固氮作用中的氨效应
氨是固氮作用的最初产物，它已经形成就从类菌体中分泌出来，这些氨必须立即被同化并转运，否则会对固氮酶造成反馈抑制。在缺乏NH4+的环境里，谷氨酰胺合成酶处于非腺苷化状态，具有催化功能和调节作用，能与固氮启动基因集合，推动RNA聚合酶催化转录mRNA，合成固氮酶。但在NH4+丰富的环境中，谷氨酰胺合成酶被腺苷化，构象发生变化，失去与固氮酶启动基因区结合的能力，导致固氮酶不能合成。因此如在培养固氮菌时加入铵盐，则固氮菌不进行固氮而依赖铵盐生长。
3.ADP/ATP比率对固氮酶活性的调节
固氮酶催化N2生成NH3，需要Mg2+和ATP参与，是固氮酶活性不可缺少的成分和证效应剂。Mg.ADP是Mg.ATP的水解产物，但其作用与Mg.ATP完全相反，是固氮酶的负效应剂，对固氮酶的底物还原活性部位其负别构调节作用。它可以抑制从铁蛋白到钼铁蛋白的电子转移，并控制进入铁蛋白的电子总量，因而有效地抑制固氮酶活性。因此细胞内ADP/ATP的比率可以调节固氮酶活性。有人认为ADP/ATP为1/2时，固氮酶活性可完全受到抑制。这种调节特性不仅与生物体的种类和生长条件有关，而且依赖于细胞内的Mg2+浓度。
4.环境中的C/N的影响
土壤中的C/N是影响固氮作用的最重要的因素之一。化能异养型固氮微生物只有在环境中有丰富的有机碳化合物而同时又缺乏化合态氮时才能进行有效固氮。如果环境中化合态氮十分丰富，固氮微生物利用现成的氮化物做氮源，则固氮酶受到化合态氮的抑制，不显示固氮活性。另外，非固氮微生物由于氮源丰富而易于发展，与固氮微生物竞争碳源。因此只有在C/N比很高的环境中，这类化能异养型孤单微生物才会发挥固氮作用。
根瘤菌与豆科植物共生的信息分子固氮结瘤因子也是一种寡聚糖，它是由根瘤菌产生的一种信号分子，在根瘤形成过程中起着十分重要的作用。所有的根瘤因子均含β-乙酰氨基葡萄糖残基构成的骨架。在其氨基葡萄糖残基的非还原性末端N-脂酰基取代了N-乙酰基，不同来源的结瘤因子在还原乙酰氨基葡萄糖残基C-6位修饰不同。NOD基因的突变研究表明，根瘤菌结瘤因子的众多结构特征是它们的生物活性和宿主专一性所要求的。在细菌与植物相互作用过程中，结瘤因子的有益作用主要包括以下几方面：一是诱导新根毛的形成；二是诱导结瘤基因的启动；三是诱导根毛变形及弯曲；四是细胞膜势能的去极化；五是根部皮层中根瘤分生组织的形成；六是浸染线的生成等。资料证明，某些结瘤因子不仅对豆科作物有效，在促进非豆科作物种子发芽和植株生长方面也有一定的功效，从而使根瘤因子的应用范围扩大，前景也更为诱人。近几年，固氮结瘤因子大分子骨架不同侧链基团对结瘤因子在生物固氮作用过程中的影响、固氮结瘤因子的基因分析及克隆、固氮结瘤作用过程中结瘤因子对宿主植物生理代谢变化的影响以及固氮结瘤因子的诱导等已有许多报道。利用有效的诱导剂诱导根瘤菌产生较高浓度的结瘤因子，并试图用以提高作物产量（主要是豆科作物）的研究已经开始并取得进展。
固氮微生物直接或通过与他种生物共生的方式将分子态氮转化成植物可利用的氮素养料，不仅对农林业生产具有十分重要的意义，而且由此启动了自然界氮素的生物循环，进而维护了地球上万物的繁荣发展。
