Trong không khí có chứa một lượng lớn chất nitơ, đáng tiếc khí nitơ này ở trạng thái trơ, thực vật không thể trực tiếp sử dụng nó. Chỉ nhờ tác dụng của các vi sinh vật, biến phân tử nitơ tự do trong không khí thành hợp chất nitơ thì thực vật mới có thể hấp thụ được. Sinh vật cố định đạm là tên dùng để chỉ vi sinh vật thực hiện chức năng này.
Vi sinh vật cố định đạm có thể phân thành hai loại lớn: 1 loài là vi sinh vật nitơ cộng sinh; loại kia là vi sinh vật ni tơ không cộng sinh.
Ngay từ năm 1888, người ta đã phát hiện ra vi khuẩn nốt sần trong rễ cây của thực vật họ đỗ, có thể cố định khí nitơ trong không khí. Thế nhưng, khi chúng độc lập sống trong đất lại không tiến hành tác dụng đó được, chỉ có khi gieo hạt giống thuộc thực vật họ đỗ vào trong đất, đợi sau khi rễ non hình thành, những vi khuẩn này thông qua lông rễ xâm nhập vào bên trong tổ chức của rễ, sinh sôi nhiều, khiến cho bộ rễ nở to ra, hình thành nốt rễ. Lúc này khuẩn nốt rễ ở trong những nốt rễ sẽ kết hợp với thực vật họđậu thành mối quan hệ cộng sinh đặc biệt, khuẩn nốt rễ mới tiến hành tác dụng giữ nitơ cung cấp chất dinh dưỡng nitơ cho thực vật. Chủng loại khuẩn nốt rễ rất nhiều, mỗi một khả năng tạo nốt của khuẩn nốt rễ có phạm vi nhất định.
Ví dụ: khuẩn nốt sần rễ đậu Hà Lan chỉ có thể hình thành nốt rễ ở phần rễ của đậu Hà Lan, đậu tằm, đậu Sơn Li; vi khuẩn nốt sần rễ đậu đũa chỉ có thể hình thành nốt rễ trên đậu đũa, đậu xanh, lạc; còn vi khuẩn nốt sần rễ tử vân anh chỉ có thể hình thành nốt rễ trên cây tử vân anh.
Trong giới vi sinh vật giữ nitơ có tính chất cộng sinh, ngoài khuẩn nốt rễ trong rễ ở họ đỗ ra, bộ rễ của cây dương đỏ, cây ma hoàng cũng có nốt rễ cộng sinh. Có những thực vật cá biệt, trên lá chúng còn có thể hình thành nhọt lá; còn bộ rễ của thực vật họ lan, họ đỗ quyên có thể hình thành rễ khuẩn, tiến hành tác dụng giữ nitơ.
Trong giới vi sinh vật giữ nitơ không cộng sinh, khuẩn giữ nitơ phân bố rộng nhất, chúng có trong đất canh tác đặc biệt trong vườn trồng rau tồn tại lượng rất lớn. Loài khuẩn này có thể sử dụng nguồn năng lượng hợp chất cacbon tiến hành giữ nitơ, trực tiếp tăng chất nitơ trong đất. Hiện nay, thuốc khuẩn giữ nitơ mà Trung Quốc sử dụng chính là lợi dụng khuẩn giữ nitơ để sinh sản.
Tảo lục lam là một loại vi sinh vật giữ nitơ không cộng sinh khác, loại vi sinh vật này khác với khuẩn giữ nitơ ở chỗ nó có thể trực tiếp sử dụng nguồn năng lượng ánh sáng Mặt Trời để tiến hành quang hợp, lấy cacbon và nguồn năng lượng để tiến hành tác dụng giữ nitơ. Đem tảo lục lam trồng vào trong ruộng nước, sau mấy tuần lượng nitơ mỗi mẫu có thể đạt tới 10 – 20 kg, khi đó trồng tiếp lúa nước vào sẽ có hiệu quả tăng sản rõ rệt.
Mấy chục năm trở lại đây, phát hiện ra hơn 100 loài vi sinh vật có khả năng giữ nitơ khác nhau, ví dụ có một số vi khuẩn có thể oxi hóa hợp chất gốc cacbua hiđrô của một loại dầu mỏ, thu được nguồn năng lượng tiến hành giữ nitơ, tức “dầu mỏ giữ nitơ”. Còn có một số có thể tiến hành giữ nitơ trên bề mặt lá thực vật, gọi là “mặt lá giữ nitơ”.
Theo tính toán, trên Trái Đất mỗi năm lượng nitơ cố định trong không khí từ khoảng 100 triệu tấn, trong đó vi khuẩn nốt sần của rễ thực vật họ đỗ giữ khoảng 5 triệu tấn, của thực vật cộng sinh không phải họ đỗ là khoảng 25 triệu tấn, khuẩn giữ nitơ không cộng sinh là 1 – 2 triệu tấn, tảo lục lam khoảng 10 triệu tấn. Amoniac tổng hợp dùng trong công nghiệp tiến hành giữ nitơ hóa học chiếm khoảng 10% tổng sản lượng của giới sinh vật. Vì vậy, sinh vật giữ nitơ có tác dụng lớn trong công việc cân bằng chất nitơ trong đất, tăng sự phì nhiêu cho đất và cung cấp chất nitơ cần thiết cho sinh trưởng của thực vật.