我们知道，植物生长需要氮元素。然而，占大气78％的氮却以分子态存在（N2），大多数植物和动物都不能直接利用。
工业合成氮肥，要耗费大量的能源，且严重污染环境。能否让植物直接利用大气中广泛存在的氮源呢？
神奇的微生物可以回答这个问题。
当我们把豆类植物连根拔起时，除了看到像胡子一样的根毛之外，根毛上还长有许许多多的小圆疙瘩。这些球状结构是由于一种微生物侵入植物根部后形成的“肿瘤”。植物身上的这种“肿瘤”不但不会使植物生病，反而成了专门供给植物营养的小“氮肥厂”。
在显微镜下可以看到，根瘤中住着一种叫根瘤菌的细菌。
它们侵入植物根部后，分泌出一些物质，刺激根毛的薄壁细胞，使增殖形成“肿瘤”。根瘤菌依赖植物提供营养来生活，同时把空气中游离的氮气固定下来供给植物利用。一个小小的根瘤就像一个微型化肥厂，源源不断地把氮气变成氨提供给植物吸收。
生物固氮由两类微生物来实现。一类是能独立生存的非共生微生物，主要有三种：好气性细菌、嫌气性细菌和蓝藻；另一类是与其他植物共生的共生微生物，如与豆科植物共生钓根瘤菌、与非豆科植物共生的敢线菌以及与水生蕨类红萍共生的蓝藻等，其中以根瘤菌最为重要。
既然豆科植物能直接利用大自然中的氮源，那么，能否让其他植物也具有同样的功能呢？人类自然会想到这个问题。
首先，我们得弄清楚是什么决定固氮作用呢？科学家告诉我们，原来固氮体内含有固氮基因。固氮基因传递着遗传信息，使世世代代固氮微生物具有固氮能力。包括农作物在内的一切高等植物，因为没有固氮基因，当然也就没有固氮能力。但如果把固氮基因转移到作物细胞里，培养成新品种，就能够固定空气中的氮气。
10多年的研究，科学家们发现生物固氮体系远比想象的复杂得多。而且随着新发现不断增多，复杂程度也逐渐增加。
不过最近似乎开始从这种复杂体系中理出“头绪”了，相信过不了多久，科学家们一定会找到可行的途径。
其实，我国人民很早就知道利用微生物的固氮作用提高土壤肥效。远在几千年以前，就已经学会轮番种植瓜类和豆类以提高产量，而西方采用轮番种植技术，是18世纪30年代以后的事。把固氮的微生物进行人工培养获得大量的活菌体，然后用它们拌种或播种，也是一种很好的细菌肥料。