生固氮菌微生物是指与一些绿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广泛，但是只有秦如刀豆科植物的根内才能固氮。根瘤菌固定的氮素，占自然界生物固氮总量的绝大部分。具有比在土壤中单独生活时高得多的固氮能力。两者不形成共生体，联合固氮作用是指某些固氮微生物在植物根系、叶面以及动物肠道中生活时。宿主也不形成特异分化的结构。这类固氮菌称联合固氮菌。罕见的联合固氮细菌有拜叶林克菌属、固氮菌属、雀稗固氮菌(Azotobactpaspali生脂固氮螺菌(Azospirillumlipoferum粪产碱菌、芽孢杆菌属、假单孢菌属、克雷伯菌属和肠杆菌等。
根瘤菌和豆科植物的共生固氮作用是一种最具有实际经济意义的生物固氮类型。共生生物固氮机理、根瘤菌的形态生理、遗传进化、生态学和分子生物学等都得到深入研究,常见的自生固氮微生物包括以圆褐固氮菌为代表的好氧性自生固氮菌、以梭菌为代表的厌氧性自生固氮菌，以及以鱼腥藻、念珠藻和颤藻为代表的具有异形胞的固氮蓝藻（异形胞内含有固氮酶，可以进行生物固氮）
草兰染色阴性，实验室条件下根瘤菌为(0.50.9μm1.23．0μm大小的杆菌。无芽孢。细胞单个或成对，常成群排列。幼龄时能运动，快生型根瘤菌具周生鞭毛，而慢生型根瘤菌具单生鞭毛。幼龄细胞染色均匀，但老龄菌体细胞由于积聚有不染色且折光性强的聚β—羟基丁酸颗粒，而染色不均匀或成环节状。细胞外可形成大量黏液物质。
根瘤菌形态经历不同变化。从土壤进入根内时为很小的杆菌。随着根瘤发育，与豆科植物营共生时。进入根瘤细胞内的菌体逐渐膨大或分叉，成为梨形、棒槌形、T形或Y形，染色后呈明显的环节状。这些特殊形态的根瘤菌称为类菌体。类菌体形成之前，即可能开始固氮，类菌体充分幼稚阶段，即进行旺盛的固氮过程。快生型根瘤菌的大类菌体具有固氮功能而失去繁殖能力，而含菌组织中另一类正常的小杆菌仍坚持有繁殖能力，从根瘤中分离培养的根瘤菌实际上是这种小杆菌的后代。化能异养型生活，利用有机物作为碳源和能源。分解糖类不产气，有些种类可产生微量的酸。可利用铵盐或硝酸盐为氮源，但仅有无机氮源时生长不良，大多数根瘤菌需植物性氮素物质如酵母汁、豆芽汁等才生长良好。非共生条件下根瘤菌的氮源以化合态氮为主，分予态氨不能作为主要氮源。很多氨基酸可促进根瘤菌生长。根瘤菌生长需要有丰富的维生素B各种矿质营养，尤其对磷的要求较高。其他如镁、钙、铁、钼、钴等元素都是必不可少的
但对氧的要求不高。大多数根瘤菌的最适生长温度在2530℃之间。生长的适宜pH值在6．57．5之间。根瘤是豆科植物和根瘤菌共生形成的特殊形态，严格好氧。旱根瘤菌同氮的场所。
还有内生菌和非豆科植物、蓝纽菌和植物、蓝细菌和真菌之间的共生固氮以及细菌和水稻、玉米等禾本科植物的联合固氮作用。除豆科植物与根瘤菌之间的共生固氮作用外。
孢囊抱子球形或梨形、无鞭毛、不运动。微好气菌，放线菌中的非豆科植物共生固氮菌弗兰克菌属(Frankia能诱导多种植物形成具有固氮效应的根瘤。菌丝分枝。有些种可产生黄、棕、褐等各种水溶性色素。
如满江红鱼腥蓝细菌(Anabaenaazolla与水生蕨类满江红共生固氮，蓝细菌中念珠蓝细菌属和鱼腥藻属可以与一些植物共生具有固氮作用。这种共生体的固氮效率很高。而且满江红含有较多的易降解有机物，国南方水稻田中是一种很有价值的水田绿肥。
自生固氮微生物是指能够在自由生活状态下固氮的微生物总称。在自然界，自生固氮微生物种类很多，分散地分布在细菌和蓝细菌的不同科、属和不同的生理群中；并大致可以分为光合细菌和非光合细菌两类。前者如红螺菌、红硫细菌和绿硫细菌等，其中的某些种类可与其它微生物联合而相互有利；后者的种类很多。根据非光合细菌的自生固氮菌对氧的需求，可以分为厌氧的细菌如梭状芽胞杆菌；需氧细菌如自生固氮菌、贝捷林克氏固氮菌、固氮螺菌等；以及兼性细菌如多粘芽胞杆菌、克鲁伯氏杆菌、肠杆菌等。自生固氮微生物中的某些种类，在有些情况下可以与植物进行联合固氮。
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