生固氮菌微生物是指與一些綠色植物互利共生的固氮微生物，如根瘤菌。根瘤菌在土壤中分布廣泛，但是只有秦如刀豆科植物的根內才能固氮。根瘤菌固定的氮素，占自然界生物固氮總量的絕大部分。具有比在土壤中單獨生活時高得多的固氮能力。兩者不形成共生體，聯合固氮作用是指某些固氮微生物在植物根系、葉面以及動物腸道中生活時。宿主也不形成特異分化的結構。這類固氮菌稱聯合固氮菌。罕見的聯合固氮細菌有拜葉林克菌屬、固氮菌屬、雀稗固氮菌(Azotobactpaspali生脂固氮螺菌(Azospirillumlipoferum糞產堿菌、芽孢桿菌屬、假單孢菌屬、克雷伯菌屬和腸桿菌等。
根瘤菌和豆科植物的共生固氮作用是一種最具有實際經濟意義的生物固氮類型。共生生物固氮機理、根瘤菌的形態生理、遺傳進化、生態學和分子生物學等都得到深入研究,常見的自生固氮微生物包括以圓褐固氮菌為代表的好氧性自生固氮菌、以梭菌為代表的厭氧性自生固氮菌，以及以魚腥藻、念珠藻和顫藻為代表的具有異形胞的固氮藍藻（異形胞內含有固氮酶，可以進行生物固氮）
草蘭染色陰性，實驗室條件下根瘤菌為(0.50.9μm1.23．0μm大小的桿菌。無芽孢。細胞單個或成對，常成群排列。幼齡時能運動，快生型根瘤菌具周生鞭毛，而慢生型根瘤菌具單生鞭毛。幼齡細胞染色均勻，但老齡菌體細胞由于積聚有不染色且折光性強的聚β—羥基丁酸顆粒，而染色不均勻或成環節狀。細胞外可形成大量黏液物質。
根瘤菌形態經歷不同變化。從土壤進入根內時為很小的桿菌。隨著根瘤發育，與豆科植物營共生時。進入根瘤細胞內的菌體逐漸膨大或分叉，成為梨形、棒槌形、T形或Y形，染色后呈明顯的環節狀。這些特殊形態的根瘤菌稱為類菌體。類菌體形成之前，即可能開始固氮，類菌體充分幼稚階段，即進行旺盛的固氮過程。快生型根瘤菌的大類菌體具有固氮功能而失去繁殖能力，而含菌組織中另一類正常的小桿菌仍堅持有繁殖能力，從根瘤中分離培養的根瘤菌實際上是這種小桿菌的后代。化能異養型生活，利用有機物作為碳源和能源。分解糖類不產氣，有些種類可產生微量的酸。可利用銨鹽或硝酸鹽為氮源，但僅有無機氮源時生長不良，大多數根瘤菌需植物性氮素物質如酵母汁、豆芽汁等才生長良好。非共生條件下根瘤菌的氮源以化合態氮為主，分予態氨不能作為主要氮源。很多氨基酸可促進根瘤菌生長。根瘤菌生長需要有豐富的維生素B各種礦質營養，尤其對磷的要求較高。其他如鎂、鈣、鐵、鉬、鈷等元素都是必不可少的
但對氧的要求不高。大多數根瘤菌的最適生長溫度在2530℃之間。生長的適宜pH值在6．57．5之間。根瘤是豆科植物和根瘤菌共生形成的特殊形態，嚴格好氧。旱根瘤菌同氮的場所。
還有內生菌和非豆科植物、藍紐菌和植物、藍細菌和真菌之間的共生固氮以及細菌和水稻、玉米等禾本科植物的聯合固氮作用。除豆科植物與根瘤菌之間的共生固氮作用外。
孢囊抱子球形或梨形、無鞭毛、不運動。微好氣菌，放線菌中的非豆科植物共生固氮菌弗蘭克菌屬(Frankia能誘導多種植物形成具有固氮效應的根瘤。菌絲分枝。有些種可產生黃、棕、褐等各種水溶性色素。
如滿江紅魚腥藍細菌(Anabaenaazolla與水生蕨類滿江紅共生固氮，藍細菌中念珠藍細菌屬和魚腥藻屬可以與一些植物共生具有固氮作用。這種共生體的固氮效率很高。而且滿江紅含有較多的易降解有機物，國南方水稻田中是一種很有價值的水田綠肥。
自生固氮微生物是指能夠在自由生活狀態下固氮的微生物總稱。在自然界，自生固氮微生物種類很多，分散地分布在細菌和藍細菌的不同科、屬和不同的生理群中；并大致可以分為光合細菌和非光合細菌兩類。前者如紅螺菌、紅硫細菌和綠硫細菌等，其中的某些種類可與其它微生物聯合而相互有利；后者的種類很多。根據非光合細菌的自生固氮菌對氧的需求，可以分為厭氧的細菌如梭狀芽胞桿菌；需氧細菌如自生固氮菌、貝捷林克氏固氮菌、固氮螺菌等；以及兼性細菌如多粘芽胞桿菌、克魯伯氏桿菌、腸桿菌等。自生固氮微生物中的某些種類，在有些情況下可以與植物進行聯合固氮。
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