自然界中隻有少數微生物能進行生物固氮作用。據研究，已經確定明顯具有生物固氮功能的微生物有細菌、放線菌和藍細菌。它們都是原核微生物，分布在50多個屬中的200多個種，其中部分種可用作生產固氮菌肥料的菌種。
①自生固氮微生物：自生固氮微生物在土壤中獨立生活，不與植物共生，利用它們自己具有的固氮酶將大氣中的分子態氮固定為氨，供作物吸收。它們因對氧氣和能源需求特性不一，可分成不同的類型。有的要在有氧環境中生長和固氮，如棕色固氮菌、貝式固氮菌等；有的隻在無氧或缺少化合態氮的環境中生長和固氮，如巴斯德梭菌等；有的在無氧中生長固氮，但在有氧中隻生長不固氮，為兼性厭氧微生物，如肺炎克氏杆菌等；還有的要在無氧有光時能固氮，如深紅紅螺菌等；還有一類僅依靠無機化合物氧化還原提供能量就能固定大氣中的氮元素，如氧化亞鐵硫杆菌等。
自生固氮微生物固氮效率不高，而且隻有在不含氮肥的貧瘠土壤中才能固氮。
②共生固氮微生物有些固氮微生物與其他植物共生，宿主植物向固氮微生物提供生長和固氮所需的能源和碳源等營養物質，固氮微生物向宿主植物提供所需的氮素。最常見的就是與豆科植物共生的根瘤菌。它是目前農業生產中最具有實際利用價值的固氮微生物。
③聯合固氮微生物某些固氮微生物生活在禾本科植物根部的表麵和周圍，不形成根瘤菌結構，但可利用植物根分泌的有機酸進行生長固氮，並產生一些植物激素。
④內生固氮微生物有些固氮微生物生活在其他生物體內，證明也有固氮能力，如在甘蔗體內生長的固氮醋酸杆菌利用甘蔗體內豐富的糖分，經過固氮供甘蔗生長所需要的氮源。
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