氮是所有生物構建蛋白質和核酸所必需的。氮氣在地球上非常普遍，它構成了超過75％的空氣分子組分。然而氮氣十分穩定，很難分解成單獨的氮原子。處於氨和硝酸鹽狀態的可利用氮元素是非常少的。通常，植物的生長被土壤中可利用的氮元素所限制。處於可利用形式的少量的氮元素是由閃電和來自太陽的紫外線輻射形成的。植物生長所需要的大量的氮是由化學肥料所提供的。但是，更為重要的可利用氮是微生物通過固氮酶產生的。
固氮酶是由兩種蛋白質組成的：一種含有鐵，叫做
鐵蛋白，另一種含鐵和鉬，稱為鉬鐵蛋白。只有鉬鐵蛋白和鐵蛋白同時上，固氮酶才具有
固氮的作用。
固氮微生物需氧，而固氮必須是在嚴格的厭氧微環境中進行。組成固氮酶的兩種蛋白質，鉬鐵蛋白和鐵蛋白，對氧極端敏感，一旦遇氧就很快導致固氮酶的失活，而多數的
固氮菌都是
好氧菌，它們要利用
氧氣進行呼吸和產生能量。固氮菌在進化過程中，發展出多種機制來解決既需氧又防止氧對固氮酶的操作損傷的矛盾。其中之一是固氮菌以較強的呼吸作用迅速地將周圍互不干涉中的氧消耗掉，使細胞周圍處於低氧狀態，保護固氮酶不受損傷。
