Fijación de nitrógeno
El nitrógeno es un elemento limitante crítico para el crecimiento y la producción de las plantas. Es un componente importante de la clorofila, el pigmento más importante que se necesita para la fotosíntesis, así como de los aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas. También se encuentra en otras biomoléculas importantes, como el ATP y los ácidos nucleicos. Aunque es uno de los elementos más abundantes (predominantemente en forma de gas nitrógeno (N2) en la atmósfera de la Tierra), las plantas solo pueden utilizar formas reducidas de este elemento. Las plantas adquieren estas formas de nitrógeno «combinado» mediante: 1) la adición de amoníaco y / o fertilizante de nitrato o estiércol al suelo, 2) la liberación de estos compuestos durante la descomposición de la materia orgánica, 3) la conversión del nitrógeno atmosférico en los compuestos por procesos naturales, como rayos, y 4) fijación biológica de nitrógeno.
La fijación biológica de nitrógeno se lleva a cabo por un grupo especializado de microorganismos que utilizan la enzima nitrogenasa para catalizar la conversión de nitrógeno atmosférico (N2) en amoníaco (NH3). Las plantas pueden asimilar fácilmente el NH3 para producir las biomoléculas nitrogenadas mencionadas anteriormente. Estos procariotas incluyen organismos acuáticos, como cianobacterias, bacterias del suelo de vida libre, como Azotobacter, bacterias que forman relaciones asociativas con plantas, como Azospirillum, y lo más importante, bacterias, como Rhizobium y Bradyrhizobium, que forman simbiosis con leguminosas y otras plantas.
La reducción del nitrógeno atmosférico es un proceso complejo que requiere una gran cantidad de energía. La molécula de nitrógeno está compuesta por dos átomos de nitrógeno unidos por un triple enlace covalente, lo que hace que la molécula sea altamente inerte y no reactiva. La nitrogenasa cataliza la ruptura de este enlace y la adición de tres átomos de hidrógeno a cada átomo de nitrógeno.
Los microorganismos que fijan el nitrógeno requieren 16 moles de trifosfato de adenosina (ATP) para reducir cada mol de nitrógeno. Estos organismos obtienen esta energía oxidando moléculas orgánicas. Los microorganismos no fotosintéticos de vida libre deben obtener estas moléculas de otros organismos, mientras que los microorganismos fotosintéticos, como las cianobacterias, utilizan azúcares producidos por la fotosíntesis. Los microorganismos asociativos y simbióticos fijadores de nitrógeno obtienen estos compuestos de las rizósferas de sus plantas hospedadoras.
El uso excesivo de estos fertilizantes químicos ha provocado un trastorno en el ciclo del nitrógeno y, en consecuencia, la contaminación de las aguas superficiales y subterráneas. El aumento de las cargas de fertilizante nitrogenado en el agua dulce, así como en los ecosistemas marinos, ha causado la eutrofización, el proceso por el cual estos sistemas tienen una proliferación de microorganismos, especialmente de algas. Este «enverdecimiento» de la columna de agua ha provocado niveles reducidos de oxígeno disuelto (OD) en las aguas del fondo a medida que las algas planctónicas mueren y alimentan la respiración microbiana. Estos niveles de OD agotados dan como resultado una mortalidad masiva de organismos acuáticos y crean las llamadas zonas muertas, áreas donde se puede encontrar poca o ninguna vida acuática. Este fenómeno ahora se considera un factor de estrés clave en los ecosistemas marinos. 
