我們知道，植物生長需要氮元素。然而，占大氣78％的氮卻以分子態存在（N2），大多數植物和動物都不能直接利用。工業合成氮肥，要耗費大量的能源，且嚴重汙染環境。能否讓植物直接利用大氣中廣泛存在的氮源呢？
神奇的微生物可以回答這個問題。
當我們把豆類植物連根拔起時，除了看到像胡子一樣的根毛之外，根毛上還長有許許多多的小圓疙瘩。這些球狀結構是由於一種微生物侵入植物根部後形成的“腫瘤”。植物身上的這種“腫瘤”不但不會使植物生病，反而成了專門供給植物營養的小“氮肥廠”。
在顯微鏡下可以看到，根瘤中住著一種叫根瘤菌的細菌。它們侵入植物根部後，分泌出一些物質，刺激根毛的薄壁細胞，使增殖形成“腫瘤”。根瘤菌依賴植物提供營養來生活，同時把空氣中遊離的氮氣固定下來供給植物利用。一個小小的根瘤就像一個微型化肥廠，源源不斷地把氮氣變成氨提供給植物吸收。
生物固氮由兩類微生物來實現。一類是能獨立生存的非共生微生物，主要有三種：好氣性細菌、嫌氣性細菌和藍藻；另一類是與其他植物共生的共生微生物，如與豆科植物共生的根瘤菌、與非豆科植物共生的放線菌以及與水生蕨類紅萍共生的藍藻等，其中以根瘤菌最為重要。
既然豆科植物能直接利用大自然中的氮源，那麼，能否讓其他植物也具有同樣的功能呢？人類自然會想到這個問題。
首先，我們得弄清楚是什麼決定固氮作用呢？科學家告訴我們，原來固氮體內含有固氮基因。固氮基因傳遞著遺傳信息，使世世代代固氮微生物具有固氮能力。包括農作物在內的一切高等植物，因為沒有固氮基因，當然也就沒有固氮能力。但如果把固氮基因轉移到作物細胞裏，培養成新品種，就能夠固定空氣中的氮氣。
10多年的研究，科學家們發現生物固氮體係遠比想象的複雜得多。而且隨著新發現不斷增多，複雜程度也逐漸增加。不過最近似乎開始從這種複雜體係中理出“頭緒”了，相信過不了多久，科學家們一定會找到可行的途徑。
其實，我國人民很早就知道利用微生物的固氮作用提高土壤肥效。遠在幾千年以前，就已經學會輪番種植瓜類和豆類以提高產量，而西方采用輪番種植技術，是18世紀30年代以後的事。把固氮的微生物進行人工培養獲得大量的活菌體，然後用它們拌種或播種，也是一種很好的細菌肥料。化學農藥的發明及應用，曾經給農業生產帶來質的飛躍，的確讓人們很是欣喜了一陣，然而大量應用化學農藥也同時帶來了嚴重的環境汙染。尋求其他方法殺滅害蟲已經成為人類迫在眉睫的研究課題。