Stickstoff-Fixierung bezieht sich auf die Umwandlung von atmosphärischem Stickstoffgas (N 2 ) in eine von Pflanzen und anderen Organismen nutzbare Form. Die Stickstofffixierung wird von einer Vielzahl von Bakterien durchgeführt, sowohl als freilebende Organismen als auch in symbiotischer Verbindung mit Pflanzen. Da sie die Hauptquelle für den Stickstoff im Boden ist, den Pflanzen zum Wachstum benötigen, ist die Stickstofffixierung einer der wichtigsten biochemischen Prozesse auf der Erde. Selbst moderne landwirtschaftliche Systeme sind auf die Stickstofffixierung durch Alfalfa, Klee und andere Leguminosen angewiesen, um chemische Stickstoffdünger zu ergänzen.
Lebende Organismen benötigen Stickstoff, weil er ein Teil der Aminosäuren ist, aus denen Proteine bestehen, und der Nukleinsäuren, aus denen DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure) bestehen. Stickstoff in lebenden Organismen wird schließlich zersetzt und in atmosphärischen Stickstoff (N 2 ) umgewandelt. Diese Form ist jedoch sehr stabil und chemisch nicht reaktiv und steht daher den meisten Organismen nicht zur Verfügung. Einige Bakterienarten können jedoch N 2 in NH 3 (Ammoniak) oder andere nutzbare Formen von Stickstoff umwandeln. Zu diesen stickstofffixierenden Bakterien gehören Arten der Gattungen Rhizobium, Anabaena, Azotobacter und Clostridium sowie andere.
Jedes der stickstofffixierenden Bakterien arbeitet mit dem gleichen Enzym, der Nitrogenase. Das Enzym Nitrogenase hat die Form eines Schmetterlings und enthält in seinem Kern ein Atom Molybdän, das für die Reaktion entscheidend ist. Böden mit einem Mangel an Molybdän können keine effektive Stickstofffixierung aufrechterhalten, und die Überwachung des Bodens auf dieses Element ist wichtig, um eine maximale Fixierung in bewirtschafteten Feldern oder Weiden zu gewährleisten.
Nitrogenase benötigt eine große Menge an Energie, um N 2 in NH 3 umzuwandeln. Freilebende Bakterien müssen sich die Nährstoffe für die Bereitstellung dieser Energie selbst beschaffen. Andere Bakterien haben symbiotische Assoziationen mit Pflanzen entwickelt, um sie mit Zucker zu versorgen, der sowohl eine Energiequelle als auch eine Kohlenstoffquelle für die eigenen synthetischen Reaktionen des Bakteriums liefert. Die Bakterien wiederum versorgen die Pflanze mit einem Teil des fixierten Stickstoffs. Die stickstofffixierende Anabaena lebt zum Beispiel in Symbiose mit dem Wasserfarn Azolla. Azolla wird früh in der Saison in Reisfeldern angebaut. Wenn der Reis über die Wasseroberfläche wächst, beschattet er den Farn, der daraufhin abstirbt und den gespeicherten Stickstoff freisetzt. Auf diese Weise wird das Reisfeld ohne Einsatz von chemischen Düngemitteln gedüngt.
Die Bakteriengattungen Rhizobium und Bradyrhizobium haben eine große Anzahl von Symbiosen mit Mitgliedern der Familie der Fabaceae (Hülsenfrüchte) entwickelt. Zu den Fabaceae gehören Alfalfa, Klee, Bohnen und Erbsen aller Art, Mesquites, Akazien und Dutzende anderer Arten, sowohl domestizierte als auch wilde. Die Wurzeln der Wirtspflanze werden als Keimlinge mit den Bakterien infiziert und reagieren, indem sie die Bakterien mit Wurzelhaaren umgeben. Die Beziehung zwischen einer bestimmten Wirtsart und einem bestimmten Bakterium ist sehr spezifisch,
und wird durch eine Reihe von Erkennungsereignissen reguliert, die verhindern, dass sich die falsche Bakterienart in der falschen Pflanze ansiedelt.
Die Pflanze entwickelt schließlich eine spezialisierte Struktur, die als Knöllchen bezeichnet wird, während die Bakterien darin zu vergrößerten Formen heranwachsen, die als Bacteroide bezeichnet werden. Die Sauerstoffkonzentration im Inneren des Knöllchens muss genau reguliert werden, da Sauerstoff die Nitrogenase hemmt. Diese Regulierung wird durch das Vorhandensein von Leghämoglobin unterstützt, einem sauerstoffbindenden Protein, das dem Hämoglobin ähnelt. Der Häm-Anteil (sauerstoffbindendes Protein) wird von dem Bakterium produziert, während der Globin-Anteil (Protein) von der Wirtspflanze produziert wird, was wiederum die enge symbiotische Beziehung verdeutlicht.