在农业生产中，氮肥对农作物产量的高低起着极大的作用。人们都知道，空气中含有极丰富的氮气（约占空气含量的4／5），在一亩地面的上空就含有5000余吨。可惜这么大量的氮气，农作物就是不能直接加以吸收利用。而跟豆科植物共生的根瘤菌却有一种特殊的本领，能捕捉空气中的分子态氮，并将它固定为氨和氨化物，为植物提供大量的氮肥。
首先发现豆科植物能固氮的是法国的农业化学家波辛格鲁特。半个世纪以后，德国学者才发现豆科植物固氮是通过根瘤来实现的。1888年，荷兰学者别耶林克首先分离出了豌豆根瘤菌。
到田园里连根拔起一棵豆科植物，如大豆、紫云英等，用水洗净，便可看到一粒粒的小瘤子挂在根上，这就是根瘤。用玻片沾点根瘤挤出的汁，置显微镜下观察，可显出根瘤中藏着无数微小的根瘤菌的模样，有的像根短棍，有的像圆球，或像英文字母“T”、“Y”。如果让1000个根瘤菌依次排成队，也不过是芝麻粒大小。
土壤是根瘤菌的老家，当它们还未“住”进大豆的幼苗时，它们只好象依靠地里的枯枝嫩叶过着默默无闻的腐生生活。一旦地里种上了大豆，并长出幼苗，根瘤就立即放弃旧居，搬进新房--大豆的根，双方相遇，都有相见恨晚的感觉，从此以后，两者形影不离，长期和睦相处。
根瘤菌的搬家，跟大豆的主动迎接是分不开的。大豆的根毛可以分泌一种特殊的蛋白质，专门“招待”所谓大豆根瘤菌，土壤中根瘤菌种类很多，其他根瘤菌是不理睬的，好像一把锁用一把钥匙开似的，科学上把这叫根瘤菌的专一性，如果根瘤菌能聚集到某种豆科植物的根毛表面时，就会从根毛钻进根的皮层细胞，同时根瘤菌会分泌出物质，刺激根的皮层细胞不断分裂新细胞，几天后向外鼓起，形成了肉眼可见的小根瘤。根瘤就是根瘤菌的“营房”，也是根瘤菌固定空气中氮素的工作场所。
根瘤菌在根瘤中“住”下后，它们要与大豆共同生活很长时间，大豆把由根部吸收来的水和无机盐及由叶子制造的有机物质，无偿地供给根瘤菌，作为它们制造氮肥所需的物质和能源，而根瘤菌则发挥它本身的特长，依靠体内特殊的固氮酶，把空气中的分子态氮加工成氨和氨的化合物。因此，根瘤菌跟大豆配合得很默契，互通有无。这种相互合作的关系，一直到豆子成 熟时才暂告结束。此时根瘤菌进入败坏阶段，根瘤也随之被破坏，于是，根瘤菌又回到了土壤怀抱中去，来年再种大豆时，重新再来跟大豆合作。这种相互共存的现象，在生物科学上称为共生。
每个根瘤都是一个小小的氮肥厂。豆科植物的氮肥厂比世界上任何一个氮肥厂的产量都要高得多。据科学计算：地球上每年由根瘤菌固定空气中的氮素相当于硫酸铵这种氮肥数量为26180万吨。如果设计年产量为3000吨的合成氨厂来生产这些氮肥，那么就得兴建87266个，可以设想根瘤菌每年为人类节省多少开支！
生产上为了尽可能增加根瘤的数量，豆科作物播种时，常采用根瘤菌拌种，增产效果很明显，特别是在新开垦的地里效果更好。最简便的方法是：当豆科植物生长旺盛，根瘤又多又大时，选择长势好的，连根拔起，水轻轻洗净，剪取长根瘤多的主根和支根，用60度白酒浸一下，约5分钟，这叫表面消毒。再用水轻轻冲洗，以防发霉，挂通风阴凉处凉干备用。使用时摘下根瘤加水或米汤捣碎成浆状加种子拌匀，边拌边下地播种。据试验，用0．5公斤大豆根瘤菌剂拌5亩地的大豆种子的播种量，可增产12％～18％；用花生根瘤菌拌种，花生可增产10％～26％；用苕子根瘤菌拌种，每亩增产还值得一提的是根瘤菌等固氮微生物虽然能够为土壤积累一些氮素，可是它们只能在旱地中活动，对于通气不良的水田，其作用就显得微弱了。能在水环境中生活、固氮的最著名植物是固氮蓝藻，它虽然不属于细菌这个大家族成员，但制造“空气肥料”的作用是基本相同的，所以顺便也给介绍一下：蓝藻是一种分布广，繁殖力强并具有固氮能力的水生植物。如果把蓝藻放在稻田里大量繁殖，通过它们的固氮作用，就能把原来水稻不能利用的空中氮气变成能利用的氮肥，这样就好像在稻田里也开设了一个小型氮肥厂。
蓝藻的生活力很强，几乎能在地球上的各种环境中居住。它既可以在冰天雪地里生活，也能在热气腾腾的温泉中安身，甚至在阳光直射的岩石上都能生长、繁殖。只要有光、适当的温度（32℃）和二氧化碳，它就会在几天之内大量繁殖。由于自然繁衍作用，它把吸收的氮气变成氨，就能被水稻利用了。据估计，地球上固氮蓝藻每年从空气中可固定纯氮1000万吨左右，相当于5000万吨硫酸铵所含的氮素。它的功劳真是了不起啊！
有一种叫项圈藻的蓝藻，植物体由球形细胞组成的丝状体，丝状体作直线或螺旋状扭曲，有时几条聚集成团，分布在淡水湖或水田中。它有一种很奇特的本领，竟会钻进蕨类植物满江红（又叫红萍，也叫绿萍）的叶子里，利用大气中的游离氮制成有机氮化物，供给满江红。而满江红则以自己制造的糖类，回赠项圈藻，好像豆科植物根须上的根瘤菌一样。大家知道，满江红是一种很好的肥料又是优质饲料，其实真正供应氮素的是项圈藻呀！
固氮蓝藻适宜于水生，如果把它培育在水田里，既不与水稻争地，又可利用稻田水层中的养分促使其生长。它在生长时，便将体内的有机氮分泌出来；当藻体死亡后，更把大量的氮溶解在水中和土壤里，成为水稻能利用的氮肥。因此固氮蓝藻在水田中生长繁殖，就像在稻田中开办起氮肥厂。
蓝藻的生活力很强，条件适合时，每年不施放，它也能在水田中自然繁殖，这正是理想中的“万年肥”了。
