生物固氮是一種將大氣中的氮氣轉化為含氮化合物的過程，對於大多數生物體來說，氮氣分子非常穩定，難以直接利用。生物固氮主要涉及固氮酶，這是一種複雜的酶系統，能夠催化氮氣（N2）還原成氨（NH3）。這一過程需要大量的能量和特定的電子供體，如丙酮酸、NADH、NADPH或H2，以及電子載體，如鐵氧還蛋白（Fd）或黃素氧還蛋白（Fld）。
生物固氮的過程可以概括為：
固氮酶將N2還原為NH3，需要6個電子和6個H+。這個過程需要大量的能量，大約每傳遞兩個電子需要消耗4~5個ATP。
固氮酶對氧氣非常敏感，因此生物固氮通常在厭氧或低氧條件下進行。固氮微生物通過不同的機制來避免氧氣的干擾，例如根瘤菌利用豆血紅蛋白來保護固氮酶免受氧氣影響。
形成的氨（NH3）需要及時轉化或轉運，以防止對固氮作用的反饋阻抑效應。
生物固氮的主要場所包括土壤、水體和某些植物與微生物的共生體系中。例如，豆類植物與其根瘤菌之間的共生固氮體系是一種重要的自然固氮方式。此外，某些細菌能夠在沒有共生植物的情況下獨立固氮。
總之，生物固氮是一個複雜但高效的過程，它不僅為植物和微生物提供了必要的氮源，也對全球氮循環和生態系統功能有著重要影響。