La fijación del nitrógeno se refiere a la conversión del gas nitrógeno atmosférico (N 2 ) en una forma utilizable por las plantas y otros organismos. La fijación del nitrógeno es llevada a cabo por una variedad de bacterias, tanto como organismos de vida libre como en asociación simbiótica con las plantas. Al ser la principal fuente del nitrógeno del suelo, nitrógeno que las plantas necesitan para crecer, la fijación del nitrógeno es uno de los procesos bioquímicos más importantes de la Tierra. Incluso los sistemas agrícolas modernos dependen de la fijación de nitrógeno por parte de la alfalfa, el trébol y otras leguminosas para complementar los fertilizantes químicos de nitrógeno.
Los organismos vivos necesitan nitrógeno porque forma parte de los aminoácidos que componen las proteínas , y de los ácidos nucleicos que componen el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico). El nitrógeno de los organismos vivos acaba descomponiéndose y convirtiéndose en nitrógeno atmosférico (N 2 ). Sin embargo, esta forma es muy estable y poco reactiva desde el punto de vista químico, por lo que la mayoría de los organismos no pueden utilizarla. Sin embargo, algunas especies de bacterias pueden convertir el N 2 en NH 3 (amoníaco) u otras formas de nitrógeno utilizables. Estas bacterias fijadoras de nitrógeno incluyen especies de los géneros Rhizobium, Anabaena, Azotobacter y Clostridium, así como otras.
Cada una de las bacterias fijadoras de nitrógeno emplea la misma enzima , la nitrogenasa. La enzima nitrogenasa tiene la forma de una mariposa y contiene un átomo de molibdeno en su núcleo que es crucial para la reacción. Los suelos deficientes en molibdeno no pueden sostener una fijación efectiva del nitrógeno, y el control del suelo en cuanto a este elemento es importante para asegurar la máxima fijación en los campos o pastos gestionados.
La nitrogenasa requiere una gran cantidad de energía para convertir el N 2 en NH 3 . Las bacterias de vida libre deben obtener los nutrientes para suministrar esta energía por sí mismas. Otras bacterias han desarrollado asociaciones simbióticas con las plantas para proporcionarles azúcares, suministrando tanto una fuente de energía como una fuente de carbono para las propias reacciones sintéticas de la bacteria. Las bacterias, a su vez, suministran a la planta parte del nitrógeno fijado. Por ejemplo, la Anabaena, que fija el nitrógeno, vive en simbiosis con un helecho acuático, la Azolla. La Azolla se cultiva en los arrozales a principios de la temporada. Cuando el arroz crece por encima de la superficie del agua, da sombra al helecho, que muere, liberando el nitrógeno almacenado. De este modo, el arrozal se fertiliza sin necesidad de aplicar fertilizantes químicos.
Los géneros bacterianos Rhizobium y Bradyrhizobium han desarrollado un gran número de simbiosis con miembros de la familia Fabaceae (leguminosa). Las fabáceas incluyen la alfalfa, el trébol, las judías y los guisantes de todo tipo, los mezquites, las acacias y docenas de otras especies tanto domesticadas como silvestres. Las raíces de la planta huésped se infectan con la bacteria cuando son plántulas, y responden rodeando la bacteria con pelos de la raíz. La relación entre una especie huésped concreta y una bacteria determinada es muy específica,
y está regulada por una serie de eventos de reconocimiento que impiden que la especie de bacteria equivocada se instale en la planta equivocada.
La planta acaba desarrollando una estructura especializada conocida como nódulo, mientras que las bacterias de su interior crecen hasta convertirse en formas agrandadas conocidas como bacteroides. La concentración de oxígeno en el interior del nódulo debe estar estrechamente regulada, ya que el oxígeno inhibe la nitrogenasa. Esta regulación se ve favorecida por la presencia de leghemoglobina, una proteína de unión al oxígeno similar a la hemoglobina. La parte del hemo (que se une al oxígeno) es producida por la bacteria, mientras que la parte de la globina (proteína) es producida por la planta huésped, lo que ilustra una vez más la cercanía de la relación simbiótica.