固氮作用是某些微生物將大氣中的氮氣轉變為含氮化合物的生物過程，這對於農業生產和土壤肥力的提升具有重要意義。根據微生物與植物的關係，可以將這些微生物分為以下幾類：
自生固氮微生物。這些微生物獨立於植物存在，能夠在土壤或培養基中自行固定空氣中的氮氣。常見的自生固氮微生物包括某些種類的細菌和放線菌。例如，好氧性自生固氮菌如圓褐固氮菌、厭氧性自生固氮菌如梭菌，以及具有異形胞的固氮藍藻等。
共生固氮微生物。這些微生物與植物形成共生關係，共同生活。它們在植物體內或與植物相關的結構中固氮，為植物提供氮素養分，同時從植物那裡獲取必要的生長條件。根瘤菌是與豆科植物共生的典型例子，它們在豆科植物的根瘤中生活，將氮氣轉化為植物可以吸收的形式。
聯合固氮微生物。這類微生物雖然與植物有關聯，但並不形成典型的共生結構，如根瘤。它們通常生活在植物根際，通過與植物的密切相互作用來固定氮氣。
此外，根據固氮微生物的生活方式和所依賴的條件，還可以進一步細分為光能自養固氮微生物、化能自養固氮微生物和異養固氮微生物。光能自養固氮微生物利用光合作用產生的能量來固氮，而化能自養固氮微生物則使用無機碳源進行固氮，異養固氮微生物則依賴有機碳化合物進行生活和固氮活動。這些微生物在自然界中扮演著重要角色，通過固氮作用為植物提供必要的氮素養分，同時參與土壤肥力的循環和維持。