Fixação de nitrogénio refere-se à conversão de gás nitrogénio atmosférico (N 2 ) numa forma utilizável por plantas e outros organismos. A fixação de azoto é conduzida por uma variedade de bactérias, tanto como organismos de vida livre como em associação simbiótica com as plantas. Por ser a principal fonte do azoto no solo, azoto que as plantas necessitam para crescer, a fixação de azoto é um dos processos bioquímicos mais importantes na Terra. Mesmo os sistemas agrícolas modernos dependem da fixação de azoto por alfafa, trevo e outras leguminosas para complementar os fertilizantes químicos de azoto.
Os organismos vivos precisam de azoto porque faz parte dos aminoácidos que compõem as proteínas , e dos ácidos nucleicos que compõem o ADN (ácido desoxirribonucleico) e RNA (ácido ribonucleico). O nitrogénio dentro dos organismos vivos é eventualmente decomposto e convertido em azoto atmosférico (N 2 ). Esta forma, contudo, é altamente estável e não reactiva quimicamente, e não está, portanto, disponível para utilização pela maioria dos organismos. Algumas espécies de bactérias, contudo, podem converter N 2 em NH 3 (amoníaco) ou outras formas utilizáveis de azoto. Estas bactérias fixadoras de azoto incluem espécies dos géneros Rhizobium, Anabaena, Azotobacter, e Clostridium, bem como outras.
Cada uma das bactérias fixadoras de azoto emprega a mesma enzima , nitrogenase. A enzima nitrogenase tem a forma de uma borboleta, e contém um átomo de molibdénio no seu núcleo que é crucial para a reacção. Os solos deficientes em molibdénio não podem sustentar uma fixação efectiva de azoto, e a monitorização do solo para este elemento é importante para assegurar a máxima fixação em campos geridos ou pastagens.
A nitrogenase requer uma grande quantidade de energia para converter N 2 em NH 3 . As bactérias que vivem livremente devem obter os nutrientes para fornecerem elas próprias esta energia. Outras bactérias desenvolveram associações simbióticas com plantas para lhes fornecer açúcares, fornecendo tanto uma fonte de energia como uma fonte de carbono para as próprias reacções sintéticas da bactéria. As bactérias, por sua vez, fornecem à planta uma parte do azoto fixado. Por exemplo, a Anabaena fixadora de azoto vive simbioticamente com um feto de água, Azolla. A Azolla é cultivada em arrozais no início da estação. À medida que o arroz cresce acima da superfície da água, dá sombra à samambaia, que morre, libertando o azoto armazenado. Desta forma, o arroz em casca é fertilizado sem aplicação de fertilizantes químicos.
Os géneros bacterianos Rhizobium e Bradyrhizobium desenvolveram um grande número de simbioses com membros da família Fabaceae (leguminosas). Fabaceae inclui alfafa, trevo, feijão e ervilhas de todos os tipos, mesquitas, acácias, e dezenas de outras espécies tanto domésticas como selvagens. As raízes da planta hospedeira ficam infectadas com as bactérias como plântulas, e respondem circundando as bactérias com pêlos das raízes. A relação entre uma determinada espécie hospedeira e uma determinada bactéria é altamente específica,
e é regulada por uma série de eventos de reconhecimento que impedem que a espécie errada de bactéria se fixe na planta errada.
A planta acaba por desenvolver uma estrutura especializada conhecida como nódulo, enquanto as bactérias no seu interior crescem em formas ampliadas conhecidas como bacteróides. A concentração de oxigénio no interior do nódulo deve ser regulada de perto, uma vez que o oxigénio inibe a nitrogenase. Esta regulação é auxiliada pela presença de leghemoglobina, uma proteína de ligação ao oxigénio semelhante à hemoglobina. A parte heme (ligante ao oxigénio) é produzida pela bactéria, enquanto a parte globina (proteína) é produzida pela planta hospedeira, ilustrando mais uma vez a proximidade da relação simbiótica.