Wiązanie azotu odnosi się do przekształcania atmosferycznego azotu gazowego (N 2 ) w formę użyteczną dla roślin i innych organizmów. Wiązanie azotu jest prowadzone przez różne bakterie, zarówno jako organizmy wolno żyjące, jak i w symbiotycznych związkach z roślinami. Ponieważ jest to główne źródło azotu w glebie, azotu, którego rośliny potrzebują do wzrostu, wiązanie azotu jest jednym z najważniejszych procesów biochemicznych na Ziemi. Nawet nowoczesne systemy rolnicze zależą od wiązania azotu przez lucernę, koniczynę i inne rośliny strączkowe, aby uzupełnić chemiczne nawozy azotowe.
Żywe organizmy potrzebują azotu, ponieważ jest on częścią aminokwasów, które tworzą białka, oraz kwasów nukleinowych, które tworzą DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy). Azot w organizmach żywych jest ostatecznie rozkładany i przekształcany w azot atmosferyczny (N 2 ). Ta forma jest jednak bardzo stabilna i niereaktywna chemicznie, dlatego nie jest dostępna do wykorzystania przez większość organizmów. Niektóre gatunki bakterii mogą jednak przekształcać N 2 w NH 3 (amoniak) lub inne użyteczne formy azotu. Do bakterii wiążących azot należą gatunki z rodzajów Rhizobium, Anabaena, Azotobacter i Clostridium, jak również inne.
Każda z bakterii wiążących azot wykorzystuje ten sam enzym, nitrogenazę. Enzym nitrogenaza ma kształt motyla i zawiera atom molibdenu w jego rdzeniu, który jest kluczowy dla reakcji. Gleby ubogie w molibden nie mogą utrzymać skutecznego wiązania azotu, a monitorowanie gleby dla tego elementu jest ważne, aby zapewnić maksymalne wiązanie w zarządzanych polach lub pastwiskach.
Atrogenaza wymaga dużej ilości energii do przekształcenia N 2 w NH 3 . Wolno żyjące bakterie muszą same pozyskiwać składniki odżywcze do dostarczenia tej energii. Inne bakterie stworzyły symbiotyczne związki z roślinami, aby dostarczać im cukrów, zapewniając zarówno źródło energii, jak i węgla dla własnych reakcji syntetycznych bakterii. Bakterie z kolei dostarczają roślinie część związanego azotu. Na przykład, wiążąca azot Anabaena żyje symbiotycznie z paprocią wodną, Azolla. Azolla jest uprawiana na polach ryżowych na początku sezonu. Gdy ryż wyrasta ponad powierzchnię wody, zacienia paproć, która obumiera, uwalniając zmagazynowany azot. W ten sposób ryż jest nawożony bez stosowania nawozów chemicznych.
Bakterie z rodzajów Rhizobium i Bradyrhizobium rozwinęły wiele symbioz z członkami rodziny Fabaceae (rośliny strączkowe). Do rodziny Fabaceae należą lucerna, koniczyna, fasola i groch wszelkiego rodzaju, mesquity, akacje i dziesiątki innych gatunków zarówno udomowionych jak i dzikich. Korzenie roślin żywicielskich zostają zainfekowane bakteriami już jako siewki, a w odpowiedzi otaczają bakterie włoskami korzeniowymi. Związek między konkretnym gatunkiem gospodarza a konkretną bakterią jest bardzo specyficzny,
i jest regulowana przez serię zdarzeń rozpoznawczych, które zapobiegają zasiedleniu niewłaściwego gatunku bakterii w niewłaściwej roślinie.
Roślina ostatecznie rozwija wyspecjalizowaną strukturę zwaną guzkiem, podczas gdy bakterie wewnątrz rosną do powiększonych form zwanych bakteroidami. Stężenie tlenu wewnątrz guzka musi być ściśle regulowane, ponieważ tlen hamuje działanie nitrogenazy. Regulacja ta jest wspomagana przez obecność leghemoglobiny, białka wiążącego tlen, podobnego do hemoglobiny. Część hemowa (wiążąca tlen) jest produkowana przez bakterię, podczas gdy część globinowa (białkowa) jest produkowana przez roślinę gospodarza, co ponownie ilustruje bliskość symbiotycznej relacji.