Stikstoffixatie verwijst naar de omzetting van atmosferisch stikstofgas (N 2 ) in een vorm die bruikbaar is voor planten en andere organismen. Stikstoffixatie wordt uitgevoerd door een verscheidenheid van bacteriën, zowel als vrij levende organismen als in symbiotische associatie met planten. Omdat stikstoffixatie de belangrijkste bron is van stikstof in de bodem, stikstof die planten nodig hebben om te groeien, is stikstoffixatie een van de belangrijkste biochemische processen op aarde. Zelfs moderne landbouwsystemen zijn afhankelijk van stikstoffixatie door alfalfa, klaver en andere peulvruchten als aanvulling op chemische stikstofmeststoffen.
Levende organismen hebben stikstof nodig omdat het een onderdeel is van de aminozuren waaruit eiwitten zijn opgebouwd, en van de nucleïnezuren waaruit DNA (desoxyribonucleïnezuur) en RNA (ribonucleïnezuur) zijn opgebouwd. Stikstof in levende organismen wordt uiteindelijk afgebroken en omgezet in stikstof uit de lucht (N 2 ). Deze vorm is echter zeer stabiel en chemisch niet reactief, en kan daarom door de meeste organismen niet worden gebruikt. Sommige bacteriesoorten kunnen N 2 echter omzetten in NH 3 (ammoniak) of andere bruikbare vormen van stikstof. Tot deze stikstoffixerende bacteriën behoren soorten van de geslachten Rhizobium, Anabaena, Azotobacter en Clostridium, maar ook andere.
Al deze stikstoffixerende bacteriën maken gebruik van hetzelfde enzym, nitrogenase. Het enzym nitrogenase heeft de vorm van een vlinder en bevat in de kern een molybdeenatoom dat cruciaal is voor de reactie. Bodems met een tekort aan molybdeen kunnen geen effectieve stikstoffixatie ondersteunen, en controle van de bodem op dit element is belangrijk om een maximale fixatie in beheerde velden of weilanden te garanderen.
Stikstofase vereist een grote hoeveelheid energie om N 2 in NH 3 om te zetten. Vrijlevende bacteriën moeten de voedingsstoffen voor het leveren van deze energie zelf verkrijgen. Andere bacteriën hebben symbiotische associaties met planten ontwikkeld om deze van suikers te voorzien, waardoor zij zowel een energiebron als een koolstofbron voor de eigen synthetische reacties van de bacterie leveren. De bacteriën leveren op hun beurt een deel van de vastgelegde stikstof aan de plant. Zo leeft de stikstoffixerende Anabaena symbiotisch met een watervaren, Azolla. Azolla wordt vroeg in het seizoen in rijstvelden gekweekt. Wanneer de rijst boven het wateroppervlak groeit, verdringt hij de varen, die sterft en de opgeslagen stikstof vrijgeeft. Op deze manier wordt het rijstveld bemest zonder toepassing van chemische meststoffen.
De bacteriegeslachten Rhizobium en Bradyrhizobium hebben een groot aantal symbiosepatronen ontwikkeld met leden van de Fabaceae-familie (peulvruchten). Fabaceae omvat luzerne, klaver, bonen en erwten in alle soorten, mesquieten, acacia’s, en tientallen andere soorten, zowel gedomesticeerde als wilde. De wortels van de waardplant worden als zaailing besmet met de bacterie, en reageren daarop door de bacterie met wortelharen te omgeven. De relatie tussen een bepaalde gastheersoort en een bepaalde bacterie is zeer specifiek,
en wordt gereguleerd door een reeks herkenningsgebeurtenissen die voorkomen dat de verkeerde bacteriesoort zich in de verkeerde plant vestigt.
De plant ontwikkelt uiteindelijk een gespecialiseerde structuur die bekend staat als een nodule, terwijl de bacteriën binnenin uitgroeien tot vergrote vormen die bacteroïden worden genoemd. De zuurstofconcentratie in de nodule moet nauwkeurig worden geregeld, aangezien zuurstof de nitrogenase remt. Deze regulering wordt bevorderd door de aanwezigheid van leghemoglobine, een zuurstofbindend eiwit dat lijkt op hemoglobine. Het heemgedeelte (zuurstofbindend) wordt geproduceerd door de bacterie, terwijl het globinegedeelte (eiwit) wordt geproduceerd door de gastheerplant, waaruit nogmaals blijkt hoe nauw de symbiotische relatie is.