植物、动物、人等生物有机体，都是由许许多多个细胞构成的，细胞中必须含有蛋白质等成分，组成这些蛋白质的氨基酸，其重要的元素之一就是氮。归根到底，没有氮就没有蛋白质，也就没有生命。
在地球表面的大气层中，分子氮（N2）占空气总量的79％，平均在一亩地面的上空就有5000吨，折合成化肥硫酸铵（NH4）2SO4，相当于2.5万吨。数量如此之大，真是一个巨大的天然肥料宝库。可惜动、植物都不能直接靠从空气中吸收氮来生活，例如，动物为了维持生存，必须捕食其他弱小的动物或用植物来充饥；而植物则完全依靠吸取土壤里的营养物质来生长、繁殖。
动、植物的营养来源只能是含氮的化合物，而对空气里的氮元素，则完全无法吸收和利用。因为空气中的氮是一种非常“懒惰”的气体，它不容易与别的元素结合，而高等植物只能利用固定状态的氮化物，如硝酸盐（NO-3）和铵盐（HN＋4），最常见的有硫酸铵（NH4）2SO4、硝酸铵NH4NO3、碳酸氢铵NH4HCO3、尿素CO（NH）2等化学肥料。
在一定的条件下，分子氮才能与其他物质进行化学反应，固定形成氧化物，这个过程为固氮作用。工业上，在高温（400℃～500℃）和高压（200Pa）下，氮气（N2）才能和氢气（H2）合成氨（NH3），全世界每年以工业方法固定的氮约2500万吨。在自然界里，同样可以固定氮，而且数量巨大，每年全球估计有1亿吨之多，为工业固氮的3倍，在这些固定的氮中，约有10％是通过闪电完成的，其余90％是由微生物完成的。某些微生物把空气中的游离氮固定转化为氮化合物的过程，称为生物固氮。生物固氮的规模非常宏大，它对农业生产和自然界的氮素平衡，都具有十分重大的意义。
生物固氮的主力部队都在地球表面的土壤中，所以有些人就称它为“地下肥料工厂”，这些地下肥料厂内的生产者，就是微生物世界里的氮菌。与工业上合成氮比较起来，这些固氮微生物只需在常温、常压下，就能吸收空气中的氮，变成有用的氮化物。这些微生物中，主要有共生固氮微生物——根瘤菌。
共生固氮微生物侵入到高等植物的根内，使宿主植物的根上长出小瘤，形成根瘤，所以这类共生微生物叫做根瘤菌。这类细菌常与豆科植物的根一起共生，据估计，豆科植物每年每亩可固定6～7千克以上的氮，全球每年固氮的总量约有1.4×107吨，相当于7×107吨硫酸铵（NH4）2SO4，而且根瘤菌所固定的氮化物不仅仅只是供给豆科植物，而且还有一部分分泌到土壤中去，使土壤肥力提高，因此将其他作物与豆科作物间作或轮作，都能增产。
很早以前。我国古代就已知道了种豆肥田的道理。但是，人们真正认识到豆科植物具有固氮作用是由于根瘤中的一种微生物生长的结果，是从1886～1888年才开始的。直到那时，欧洲才第一次分离出固氮的微生物。近几十年来，各国的科学工作者经过不断地研究和探索，逐渐揭开了固氮微生物的固氮秘密。
固氮微生物里有一种酶叫做固氮酶，包括两种蛋白质，一种蛋白质含铁，被称为铁蛋白；另一种蛋白质含有铁和钼，叫做钼铁蛋白，这两种蛋白同时存在时，就能行使固氮酶的作用了。固氮作用的最终产物就是氨。
但是固氮微生物只能在旱地中活动，对于通气不良的水田，其作用就显得微弱。正好，有一种低等植物——蓝藻，弥补了这一不足。
蓝藻是一种分布广、繁殖力强、具有固氮能力的水生植物。如果把蓝藻放在稻田里大量繁殖，通过它们的固氮作用，就能把水稻原来不能利用的氮气变成能利用的氮肥。据估计，地球上固氮蓝藻每年都能从空气中固定纯氮1000万吨左右，可相当于5000万吨酸铵。蓝藻的生活力很强，条件合适时，即使不播放，它也能在水田里自然繁殖，成为理想的“万年肥”。
概括起来，大气中的氮可以经过4条途径进入生物体。①生物固氮：豆科植物通过根瘤菌或固氮蓝藻及其他固氮细菌固定大气中的氮，使氮素进入生物界；②工业固氮：通过工业生产将大气中的氮合成氨以及其他氮肥，供给植物利用；③岩浆固氮：当火山喷发时喷射出的岩浆，可以固定大气中部分的氮；④大气固氮：雷雨天气的闪电，通过电离作用，使大气中的氮氧化成硝酸盐，硝酸盐由雨水带入土壤。同时土壤中的氨或氨盐，经过硝化细菌的硝化作用，形成亚硝酸盐或硝酸盐，被植物利用，再在植物体内与复杂的含碳物质结合，形成各种氨基酸，进而合成蛋白质。动物直接或间接以植物为食，从植物中摄取蛋白质，作为自身蛋白质组成的来源。动、植物的遗体在土壤微生物的作用下，也可再被分解成氨、二氧化碳和水。这些氨也会进入土壤，再次重复上述过程。另一部分氨会在反硝化细菌的作用下，分解成游离氮，进入大气，完成氮的循环。