固氣作用是一種化學過程，分子氮（N_{2）在空氣中具有很強的三重共價鍵 轉化為氨 (NH3) 或相關的含氮化合物，通常存在于土壤或水生系統中，也存在于工業中。 大氣中的氮是分子二氮，一種相對不活潑的分子，除了少數微生物外，對所有微生物都沒有新陳代謝作用。 生物固氮或固氮是一種重要的微生物介導過程，利用固氮酶蛋白復合物 (Nif) 將氮氣 (N2) 轉化為氨氣 (NH3)。}

固氮作用對生命至關重要，因為所有含氮有機化合物（如氨基酸和蛋白質、核苷三磷酸和核酸）的生物合成都需要固定的無機氮化合物。 作為氮循環的一部分，它對農業和化肥生產至關重要。 它還間接地與所有含氮化合物的制造有關，其中包括一些炸藥、藥物和染料。

固氮作用是通過稱為固氮菌的微生物在土壤中自然進行的，這些微生物包括細菌，如固氮菌和古細菌。 一些固氮細菌與植物群有共生關系，尤其是豆類。 固氮菌和植物之間較松散的非共生關系通常被稱為締合關系，如水稻根部的固氮作用所示。 固氣作用發生在一些白蟻和真菌之間。 它通過閃電產生的氮氧化物在空氣中自然發生。

所有涉及固氮過程的生物反應都是由稱為固氮酶的酶催化的。 這些酶含有鐵，通常含有第二種金屬，通常是鉬，但有時是釩。

生物固氮作用于 1838 年由 Jean-Baptiste Boussingault 發現。后來，在 1880 年，德國農學家 Hermann Hellriegel 和 Hermann Wilfarth 發現了它發生的過程，并由荷蘭微生物學家 Martinus Beijerinck 進行了全面描述。

Saussure、Ville、Lawes 和 Gilbert 等人開始對植物與氮獲取之間的關系進行了長期研究，最終于 1887 年由 Hellriegel 和 Wilfarth 發現了共生固定。

Bossingault 于 1855 年和 Pugh、Gilbert & 進行的實驗 勞斯在 1887 年已經表明，氮并沒有直接進入植物。 Herman Hellriegel 和 Herman Wilfarth 在 1886-8 年發現的固氮細菌的作用開啟了土壤科學的新紀元。

1901 年 Beijerinck 表明 Azotobacter chroococcum 能夠固定大氣中的氮。 這是固氮菌屬的xxx個物種，由他命名。 它也是xxx個已知的固氮菌，即使用雙原子氮作為完整氮循環中的一個步驟的物種。

當固氮酶將大氣中的氮轉化為氨時，就會發生生物固氮 (BNF)。 BNF 的總體反應是：

N 2 + 16 ATP + 16 H 2 O + 8 e ? + 8 H + ? 2 NH 3 + H 2 + 16 ADP + 16 {\displaystyle {\ce {N2 + 16ATP + 16H2O + 8e- + 8H+ - > 2NH3 +H2 + 16ADP + 16}}} P i {\displaystyle {\text{P}}_{i}}

該過程與 16 個當量 ATP 的水解相結合，并伴隨著一個當量 H _{的共同形成 2. N2 轉化為氨發生在稱為 FeMoco 的金屬簇中，FeMoco 是鐵鉬輔助因子的縮寫。 該機制通過一系列質子化和還原步驟進行，其中 FeMoco 活性位點氫化 N2 底物。 在自由生活的固氮菌中，固氮酶產生的氨通過谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶途徑被同化為谷氨酸。 固氮所需的微生物nif基因廣泛分布于不同的環境中。}

例如，通常具有低氮含量的分解木材已被證明具有重氮營養群落。 細菌通過固定使木材基質富含氮，從而使枯木能夠被真菌分解。

固氮酶被氧氣迅速降解。 出于這個原因，許多細菌在氧氣存在的情況下停止產生這種酶。 許多固氮生物僅存在于厭氧條件下，呼吸以降低氧氣水平，或將氧氣與蛋白質（如豆血紅蛋白）結合。

大氣中的氮對于大多數生物來說是無法接近的，因為它的三重共價鍵非常強。 生命以各種方式吸收固定氮。