대기 속에 존재하는 유리(遊離)질소를 유기물 합성에 이용할 수 있는 세균. 질소고정세균은 단생(單生)질소고정균과 공생(共生)질소고정균으로 나눌 수 있다.

단생질소고정균에는 아조토박터(Azotobacter), 클로스트리디움(Clostridium), 각종 광합성 세균, 기타 수종의 세균, 남조류(藍藻類) 등이 포함된다.

단생질소고정균은 자유생활을 하므로 분포가 넓고 모든 토양에 서식한다.

공생질소고정균은 콩과(科)식물의 뿌리혹박테리아(根瘤菌 ; Rhizobium)와 참마과식물의 엽류균(葉瘤菌)이 알려져 있다.

그러나 이 경우의 공생이란 세균이 생활사의 어느 시기에 숙주의 몸에 들어가 공생한다는 뜻이다.

콩과식물의 뿌리혹박테리아가 숙주의 뿌리에 들어가면, 특수한 기관으로서 뿌리혹이 형성되고, 뿌리혹박테리아는 그 내부에 갇혀 번식한다.

질소고정은 이 부분에서 이루어지는데, 뿌리혹박테리아와 숙주인 식물은 단독으로는 공중질소의 고정을 하지 않는다.

즉, 공중질소고정만은 두 생물의 공동작업으로 이루어질 수 있다.

질소고정세균은 공기 속의 질소를 붙잡아 자기자신의 단백질을 구성함과 동시에, 숙주에게 유기 질소화합물을 공급해 준다.

이러한 숙주의 질소 고정의 효소계는 여러 가지 질소고정균에 의해 세포의 추출액 속에서 꺼내어져 정제된다.

이 효소계에 의해 질소는 환원되어 암모니아가 되는데, 이 반응 과정에서 생기는 안정된 중간생성물은 아직 밝혀지지 않았다.