É preciso que o N2 atmosférico seja convertido em formas químicas que possam ser utilizadas pelos seres vivos, como amônia (NH3) e íons nitrato (NO3–). Essa transformação é denominada fixação de nitrogênio.

Certas bactérias (Azotobacter, Rhizobium, cianobactérias) possuem a enzima nitrogenase e, por isso, conseguem incorporar o N2 da atmosfera, metabolizá-lo e fixá-lo sob a forma de amônia (NH3). Essa conversão do N2 em NH3, realizada por esses micro-organismos, é conhecida por fixação biológica de nitrogênio.

Nos ecossistemas aquáticos, as cianobactérias são os principais fixadores de nitrogênio. No solo, existem bactérias fixadoras de nitrogênio de vida livre, como as do gênero Azotobacter, e bactérias fixadoras que vivem em associação mutualística com raízes de plantas leguminosas (soja, feijão, ervilha, alfafa, etc.), como é o caso das bactérias do gênero Rhizobium. As bactérias de vida livre fixam apenas o nitrogênio necessário para o seu próprio uso e liberam o nitrogênio fixado (sob a forma de amônia) somente quando morrem e sofrem o processo de decomposição. As bactérias que vivem em mutualismo com as raízes de leguminosas liberam para o solo parte do nitrogênio que fixam, recebendo das plantas os produtos da fotossíntese.

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