自然界中只有少数微生物能进行生物固氮作用。据研究，已经确定明显具有生物固氮功能的微生物有细菌、放线菌和蓝细菌。它们都是原核微生物，分布在50多个属中的200多个种，其中部分种可用作生产固氮菌肥料的菌种。
①自生固氮微生物：自生固氮微生物在土壤中独立生活，不与植物共生，利用它们自己具有的固氮酶将大气中的分子态氮固定为氨，供作物吸收。它们因对氧气和能源需求特性不一，可分成不同的类型。有的要在有氧环境中生长和固氮，如棕色固氮菌、贝式固氮菌等；有的只在无氧或缺少化合态氮的环境中生长和固氮，如巴斯德梭菌等；有的在无氧中生长固氮，但在有氧中只生长不固氮，为兼性厌氧微生物，如肺炎克氏杆菌等；还有的要在无氧有光时能固氮，如深红红螺菌等；还有一类仅依靠无机化合物氧化还原提供能量就能固定大气中的氮元素，如氧化亚铁硫杆菌等。
自生固氮微生物固氮效率不高，而且只有在不含氮肥的贫瘠土壤中才能固氮。
②共生固氮微生物有些固氮微生物与其他植物共生，宿主植物向固氮微生物提供生长和固氮所需的能源和碳源等营养物质，固氮微生物向宿主植物提供所需的氮素。最常见的就是与豆科植物共生的根瘤菌。它是目前农业生产中最具有实际利用价值的固氮微生物。
③联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面和周围，不形成根瘤菌结构，但可利用植物根分泌的有机酸进行生长固氮，并产生一些植物激素。
④内生固氮微生物有些固氮微生物生活在其他生物体内，证明也有固氮能力，如在甘蔗体内生长的固氮醋酸杆菌利用甘蔗体内丰富的糖分，经过固氮供甘蔗生长所需要的氮源。
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