空氣中約80%的氮氣不能被植物直接利用，只有固氮微生物具有將氮氣轉化成氨的能力，人們稱為生物固氮。全球每年生物固氮的氮量已近2×106t（相當于4×108t尿素），約占全球植物需氮量的3/4。所以生物固氮是地球上最大規模的天然氮肥廠。固氮微生物是指通過生命活動，將空氣中游離態的氮素直接轉變為含氮化合物的微生物。固氮微生物種類很多，可分為自生固氮微生物、共生固氮微生物和聯合固氮微生物三大類群。
1、自生固氮微生物
自生固氮菌是自由生活在土壤或水域中，能獨立進行固氮作用的某些細菌。以分子態氮為氮素營養，將其還原為NH3，再合成氨基酸、蛋白質。
1．1 細菌
1.1.1好氧性細菌
能利用分子態氮外，還能利用銨鹽和硝酸鹽等無機氮化物。在含有化合態氮的培養基中生長時不固定分子態氮。一般每消耗 1g 碳水化合物可固氮 10mg。生長時還需要磷、鉀、鈣、硫、鎂等礦質養分。各種微量元素尤其是鉬對于固氮菌的生長和固氮都具有促進作用。如：棕色固氮菌，圓褐固氮菌，貝氏固氮菌，活躍固氮菌等。
1.1.2兼性厭氧性細菌：克氏肺炎桿菌，多粘芽孢桿菌等。
1.1.3厭氧性細菌
厭氧菌廣泛分布于自然界，專性厭氧，必須在無氧環境中才能生長，如：巴氏梭菌，去磺弧菌等。
1.1.4光合細菌
光合細菌細胞內只有一個光系統，即PSI，光合作用的原始供氫體不是水，而是H2S （或一些有機物），這樣它進行光合作用的結果是產生了H2，分解有機物，同時還能固定空氣的分子氮產生氨。光合細菌在自身的同化代謝過程中，又完成了產氫、固氮、分解有機物三個自然界物質循環中極為重要的化學過程。如：紅色非硫細菌，紅色硫細菌，綠色硫細菌等。
1.2 藍藻
1.2.1有異形胞的藍藻
一些絲狀藍藻具有異形胞，它們是由絲狀體中的營養細胞轉化而來的。異形胞能夠直接固定大氣中的Ｎ2（分子態），形成可為植物利用的氮素化合物。如柱孢魚腥藻，灰念珠藻，殼狀眉藻等
1.2.2沒有異形胞的藍藻：如織絲藍藻，顫藍藻等
1.2.3單細胞藍藻：如粘球藻等
1.3 放線菌，諾卡氏屬的兩種。
2 共生固氮微生物
共生固氮菌在與植物共生的情況下才能固氮或才能有效地固氮，固氮產物氨可直接為共生體提供氮源。共生固氮效率比自生固氮體系高數十倍。
2.1 豆科植物與根瘤菌共生固氮
如大豆、豇豆、菜豆、豌豆、苜蓿、三葉草、羽扇豆、紫云英等。人們已知的能固氮的豆科植物已超過1200種，農業上利用的不到50種。
2.2 非豆科植物共生固氮
2.2.1被子植物與弗氏放線菌共生的根瘤
如赤楊、木麻黃、胡頹子、沙棘、美洲茶、馬桑、仙女木、熊果、楊梅等。
2.2.2裸子植物根瘤：如蘇鐵根瘤中的魚腥藍藻和念珠藻與之共生
2.2.3葉瘤：如生活在巴弗它和九節木等植物葉中的細菌如黃桿菌、分枝桿菌和藍藻等。
2.2.4葉面微生物：某些植物（如有些柑桔）葉表長有固氮菌、黃桿菌和某些藍藻能固氮。
2.2.5其它：如菌根（象杜鵑花科的放線菌）、地衣（如擔子菌和粘球藻）、綠萍（又稱滿江紅或者紅萍，是蕨類植物和藍藻的共生體）、紅萍—魚腥藻共生固氮等。
2.3 細菌間共生：如光合細菌和好氣菌共生。
3 聯合固氮微生物
近年在自生固氮微生物和共生固氮微生物兩個類型之間又提出一個中間類型，稱為聯合固氮。即有的固氮菌生活在某些植物根的粘質鞘套內或皮層細胞間，不形成根瘤，但有較強的專一性。如生活在玉米和水稻根表和根際的含脂螺菌、醋酸固氮菌、草螺菌屬、內生固氮菌、產堿菌、固氮螺菌、芽孢桿菌、腸桿菌、克雷伯氏菌、假單胞菌等。內蒙古草地的羊草、冰草、大針茅、糙隱子草根際均有土壤肝菌屬的固氮細菌，可以推斷該屬的固氮細菌與植物沒有嚴格的選擇性，或其生態適應性較強
