Stickstoffixierung, die Bindung von molekularem Stickstoff (N₂) der Luft und seine Reduktion zu Ammoniumstickstoff. Man unterscheidet eine symbiotische S. und eine nichtsymbiotische S. Eine symbiotische S. betreiben unter Ausbildung von speziellen Gewebewucherungen (Wurzelknöllchen) als Wurzelsymbioten lebende Rhizobium-Arten, Actinomyceten sowie Cyanobakterien. Zu den freilebenden (nichtsymbiotischen) N₂-Fixierern gehören aerobe (Azotobacter), anaerobe (Clostridium) und phototrophe Bakterien (z. B. Rhodospirillum) sowie Cyanobacteriaceen mit Heterocystenbildung (z. B. Anabaena). Der für die S. erforderliche Enzymkomplex wird als Nitrogenase bezeichnet.

Die S. ist – bedingt durch die Sauerstoff-Sensibilität der Nitrogenase – durch eine hohe Sauerstoffempfindlichkeit, einen relativ hohen Energieaufwand (Verbrauch von 12-15 ATP pro fixiertem N₂) und eine gleichzeitige Freisetzung von molekularem Wasserstoff (Hydrogenasen) charakterisiert. Es existieren zahlreiche Mechanismen zum Schutz der Nitrogenase vor einem zu hohen Sauerstoff-Partialdruck.

Die für die S. verantwortlichen Gene konnten identifiziert werden (nif-Gene) und aus N₂-bindenden Bakterien auf Bakterienarten ohne N₂-fixierende Kapazität übertragen werden. Diese konnten dann ebenfalls aktive Nitrogenase de novo synthetisieren. Damit eröffnen sich neue Perspektiven für die Ertragssteigerung von Nutzpflanzen: Erweiterung der Wirtsspezifität der Rhizobien auf andere Nutzpflanzen und Konstruktion neuer N₂-bindender Prokaryoten als Symbioten für Kulturpflanzen (z. B. Getreidepflanzen) und der direkte Einbau der nif-Gene in Zellen von Nutzpflanzen. So bilden Callus-Zellkulturen verschiedener Pflanzen durch eingebrachte Rhizobium-Symbioten aktive Nitrogenase und sind zur S. befähigt.

Die S. hat überaus große biologische Bedeutung für den Stickstoffhaushalt in der Biosphäre und im Stickstoffkreislauf der Natur. Für die symbiotische S. bei Fabaceen werden 55-200 kg N₂ ha^-1 a^-1 angegeben. Freilebende Stickstoffbinder fixieren ca. 5 kg ha^-1 a^-1.