植物、動物、人等生物有機體，都是由許許多多個細胞構成的，細胞中必須含有蛋白質等成分，組成這些蛋白質的氨基酸，其重要的元素之一就是氮。歸根到底，沒有氮就沒有蛋白質，也就沒有生命。
在地球表麵的大氣層中，分子氮（N2）占空氣總量的79％，平均在一畝地麵的上空就有5000噸，折合成化肥硫酸銨（NH4）2SO4，相當於2.5萬噸。數量如此之大，真是一個巨大的天然肥料寶庫。可惜動、植物都不能直接靠從空氣中吸收氮來生活，例如，動物為了維持生存，必須捕食其他弱小的動物或用植物來充饑；而植物則完全依靠吸取土壤裏的營養物質來生長、繁殖。
動、植物的營養來源隻能是含氮的化合物，而對空氣裏的氮元素，則完全無法吸收和利用。因為空氣中的氮是一種非常“懶惰”的氣體，它不容易與別的元素結合，而高等植物隻能利用固定狀態的氮化物，如硝酸鹽（NO-3）和銨鹽（HN＋4），最常見的有硫酸銨（NH4）2SO4、硝酸銨NH4NO3、碳酸氫銨NH4HCO3、尿素CO（NH）2等化學肥料。
在一定的條件下，分子氮才能與其他物質進行化學反應，固定形成氧化物，這個過程為固氮作用。工業上，在高溫（400℃～500℃）和高壓（200Pa）下，氮氣（N2）才能和氫氣（H2）合成氨（NH3），全世界每年以工業方法固定的氮約2500萬噸。在自然界裏，同樣可以固定氮，而且數量巨大，每年全球估計有1億噸之多，為工業固氮的3倍，在這些固定的氮中，約有10％是通過閃電完成的，其餘90％是由微生物完成的。某些微生物把空氣中的遊離氮固定轉化為氮化合物的過程，稱為生物固氮。生物固氮的規模非常宏大，它對農業生產和自然界的氮素平衡，都具有十分重大的意義。
生物固氮的主力部隊都在地球表麵的土壤中，所以有些人就稱它為“地下肥料工廠”，這些地下肥料廠內的生產者，就是微生物世界裏的氮菌。與工業上合成氮比較起來，這些固氮微生物隻需在常溫、常壓下，就能吸收空氣中的氮，變成有用的氮化物。這些微生物中，主要有共生固氮微生物——根瘤菌。
共生固氮微生物侵入到高等植物的根內，使宿主植物的根上長出小瘤，形成根瘤，所以這類共生微生物叫做根瘤菌。這類細菌常與豆科植物的根一起共生，據估計，豆科植物每年每畝可固定6～7千克以上的氮，全球每年固氮的總量約有1.4×107噸，相當於7×107噸硫酸銨（NH4）2SO4，而且根瘤菌所固定的氮化物不僅僅隻是供給豆科植物，而且還有一部分分泌到土壤中去，使土壤肥力提高，因此將其他作物與豆科作物間作或輪作，都能增產。
很早以前。我國古代就已知道了種豆肥田的道理。但是，人們真正認識到豆科植物具有固氮作用是由於根瘤中的一種微生物生長的結果，是從1886～1888年才開始的。直到那時，歐洲才第一次分離出固氮的微生物。近幾十年來，各國的科學工作者經過不斷地研究和探索，逐漸揭開了固氮微生物的固氮秘密。
固氮微生物裏有一種酶叫做固氮酶，包括兩種蛋白質，一種蛋白質含鐵，被稱為鐵蛋白；另一種蛋白質含有鐵和鉬，叫做鉬鐵蛋白，這兩種蛋白同時存在時，就能行使固氮酶的作用了。固氮作用的最終產物就是氨。
但是固氮微生物隻能在旱地中活動，對於通氣不良的水田，其作用就顯得微弱。正好，有一種低等植物——藍藻，彌補了這一不足。
藍藻是一種分布廣、繁殖力強、具有固氮能力的水生植物。如果把藍藻放在稻田裏大量繁殖，通過它們的固氮作用，就能把水稻原來不能利用的氮氣變成能利用的氮肥。據估計，地球上固氮藍藻每年都能從空氣中固定純氮1000萬噸左右，可相當於5000萬噸酸銨。藍藻的生活力很強，條件合適時，即使不播放，它也能在水田裏自然繁殖，成為理想的“萬年肥”。
概括起來，大氣中的氮可以經過4條途徑進入生物體。①生物固氮：豆科植物通過根瘤菌或固氮藍藻及其他固氮細菌固定大氣中的氮，使氮素進入生物界；②工業固氮：通過工業生產將大氣中的氮合成氨以及其他氮肥，供給植物利用；③岩漿固氮：當火山噴發時噴射出的岩漿，可以固定大氣中部分的氮；④大氣固氮：雷雨天氣的閃電，通過電離作用，使大氣中的氮氧化成硝酸鹽，硝酸鹽由雨水帶入土壤。同時土壤中的氨或氨鹽，經過硝化細菌的硝化作用，形成亞硝酸鹽或硝酸鹽，被植物利用，再在植物體內與複雜的含碳物質結合，形成各種氨基酸，進而合成蛋白質。動物直接或間接以植物為食，從植物中攝取蛋白質，作為自身蛋白質組成的來源。動、植物的遺體在土壤微生物的作用下，也可再被分解成氨、二氧化碳和水。這些氨也會進入土壤，再次重複上述過程。另一部分氨會在反硝化細菌的作用下，分解成遊離氮，進入大氣，完成氮的循環。