自然界有兩大生命現象，即光合作用和固氮作用。光合作用是將空氣中的二氧化碳固定成碳水化合物，而固氮作用是將空氣中的氮氣固定成氨。人類與許多其它生物一樣需要氮素作為合成蛋白質的原料，但不能自我合成有機氮。雖然空氣中有78%是氮氣，但是絕大多數生物不能直接利用空氣中的氮氣。在能源緊張和環境汙染的雙重壓力下，傳統的固氮方式已經難以適應各種需求，使生物固氮研究得到更加應有的重視。如果主要農作物能夠自主固氮，就可以擺脫對化肥的依賴性，既節省能源，又能對環境友好。這是繼工業革命之後，人們期待的一次“綠色革命”。
自然界有兩大生命現象，即光合作用和固氮作用。光合作用是將空氣中的二氧化碳固定成碳水化合物，而固氮作用是將空氣中的氮氣固定成氨。同時自然界有細胞的生物可以被分為兩大類：一類是有細胞核的真核生物，其中包括高等植物和動物，酵母菌是最簡單的真核生物；還有一類是無細胞核的原核生物，比如大腸桿菌、乳酸桿菌等。兩類生物都可以進行光合作用，而固氮卻是原核生物的“專利”，它們可以在常溫常壓下利用固氮酶將空氣中的氮氣固定成氨，作為生命體系的氮素來源。
人類與許多其它生物一樣需要氮素作為合成蛋白質的原料，但不能自我合成有機氮。雖然空氣中有78%是氮氣，但是絕大多數生物不能直接利用空氣中的氮氣。比如人類呼吸空氣時，一部分氧氣被消耗，而氮氣卻不能被吸收，怎麼進去就怎麼出來。所以絕大多數生物需要從外界攝取被固定的氮元素。
上個世紀人類發明了一種高溫高壓下合成氨的方法制造氮肥，用於農業生產，目前全球氮素來源的30%是由以上合成氨技術提供的。
研究生物固氮的意義主要有以下兩個方面。一方面是能源問題。由於氮肥的製造是一個高耗能的過程，生物固氮研究的重要性一般都是在石油資源有危機的時候凸現出來。如上世紀70年代的石油危機，以及目前海灣地區的不穩定性和石油價格飛漲，都使生物固氮研究得到更加應有的重視。另一方面，是環境的壓力。化肥施到土地裡，只有30%被植物吸收，另外70%進入土壤水體，造成富營養化。有資料顯示，我國農業對環境汙染的“貢獻率”達到20%以上，如滇池汙染中，農業面源汙染對於總氮、總磷含量的貢獻率已分別高達43.3%和37.1%。因為我國是施用氮肥最多的國家之一，化肥作為一種農業生產資料得到國家的控制，相對比較便宜的同時，濫施現象也比較嚴重。而生物固氮就不會對環境造成破壞。
如果主要農作物能夠自主固氮，就可以擺脫對化肥的依賴性，既節省能源，又能對環境友好。這是繼工業革命之後，人們期待的一次“綠色革命”。
據統計，人造氮肥佔全球氮素總量的30%左右，除閃電在瞬間固氮5%左右外，其餘全靠生物來固氮。
一般來說，生物固氮菌有三種類型。第一類是自生固氮菌，這個比較典型的是沙漠里長的髮菜，在沙漠這種艱苦獨特的環境裡面它能夠生長。此外，這些日子在我國主要水體中氾濫的藍藻中也有很大一部分可以自生固氮。海洋裡面有很多藻類也是有同樣的功能。
第二類是聯合固氮菌。光合作用是把空氣中的二氧化碳固定成碳水化合物。植物光合作用的產物有70%給自己用，另外30%養分要分泌到土壤中，供養土壤裡附著在植物根際的微生物，其中包括聯合固氮菌，它們可為植物提供一定份額的氮素，這種鬆散的關係往往是互益的。植物體內還有很多內生菌也可以固氮，也屬於聯合固氮範圍。如巴西在甘蔗生產中使用聯合固氮體系，可為甘蔗提供60%的氮素來源。
第三類是共生固氮菌。這是科學家認為效率非常高但侷限性也比較大的一類菌，大豆、豌豆、花生等豆科植物可以利用根瘤菌進行共生固氮，這種現象從1887年發現到現在已經有120年了。在共生固氮體系中，豆科植物根瘤裡的根瘤菌進入植物細胞，被植物細胞“俘虜”，逐漸發育成了植物細胞的一種“器官”，所以它們的固氮效率非常高，可以說這種模式是生物固氮的“最高境界”。
共生固氮體系根瘤菌與宿主植物的關係最緊密，效率最高，它是目前生物固氮研究的焦點之一。對它的研究主要有兩個目的，一是揭示根瘤菌與宿主植物相互作用機理，二是擴大宿主範圍，使非豆科植物，如水稻、小麥、玉米等糧食作物也能共生固氮。這一研究涉及根瘤菌與植物兩者之間的分子對話，相互識別，信息傳導和基因表達的網絡調控。
我們關心三種固氮體系中幾個共有的問題。其中一個最根本的，就是想搞清楚光合作用與固氮作用之間的關係是怎麼回事。
最近又一篇文章說，人類到火星、土星除了找水外，還要找氮元素和碳元素。這是因為，氮碳代謝是一切生命活動的兩大根本代謝。
在屬於氮代謝的固氮作用中，能量的供應，特別對豆科植物共生固氮是一個大問題。如何通過提高光合作用效率來提高固氮作用是必須考慮的一個重要問題。再深一層的出發點是由於每種生物都有氮代謝和碳代謝，對固氮生物還有固氮作用，這三者之間究竟存在著怎樣的基因調控網絡，是十分基礎的根本問題。
另外一方面的研究進展是這樣的，人們早就發現有一種真菌可以與絕大多數高等植物相互作用，誘發出鬚子狀菌根，具有解磷解鉀，促進植物生長的作用。豆科植物除了可以長根瘤也可以長菌根，國際上在研究以上兩種植物與微生物相互作用的共性時發現，這兩類菌在植物細胞中可以共用一段信號傳導通路，只是最開始的幾個步驟不同。因此有人提出，如果把豆科植物細胞中特異的結瘤信號傳導通路嫁接到其他非豆科植物菌根生長信號通路上，也許就能在非豆科植物，特別是主要農作物中構建共生固氮體系，打破根瘤菌的宿主專一性。但由於涉及的基因比較多，我認為這方面的研究還有比較長的路要走。
美國、法國、英國在生物固氮研究方面比較領先，中國跟這幾個國家不相上下。這些年來，美法英在植物研究方面比較突出，中國在固氮微生物研究方面也取得了比較獨特的成果。
如我國科學家關心的研究課題之一是根瘤菌的碳源利用問題。研究發現，人挑食，菌也“挑食”。如根瘤菌只能用一種碳源———四碳二羧酸作為生物固氮的能量來源。如果阻斷根瘤菌對該碳源的利用能力，根瘤菌還可以與豆科植物結瘤，可以利用其他碳源在根瘤細胞中生長繁殖，但是卻喪失了固氮能力。至於為什麼只挑這種碳源，如何選擇這種碳源，這種碳源怎麼作用，到現在還沒有搞清楚。如果搞清楚了，可以通過一些手段大大提高固氮效率。
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