根圏細菌
窒素固定は、根圏微生物において最も利益的な行動である。窒素は植物にとって必要不可欠であり、栄養素として体内に取り込み続けなければ生存・生育できない。植物は窒素分子(N2)の2つの窒素原子間の三重結合を切断することはできないため、大気中の窒素分子を吸収することはできない。窒素固定では窒素ガス(N2)はアンモニア(NH3)に変換され、植物に吸収されることが可能となる。根圏細菌は窒素固定によって宿主植物の生長を強力に補助したり促進したりできる。
宿主植物はアンモニアを同化する必要はないので、アミノ酸を細菌に供給する。供給したアミノ酸の窒素分は窒素固定によって植物へと還元される。窒素固定に関連するニトロゲナーゼは嫌気環境に関わる。根粒中の膜は嫌気環境を根圏細菌に提供する。根圏細菌は代謝のために酸素を要求するため、酸素を供給するヘモグロビンタンパク質のレグヘモグロビンを根粒中で産生する。
マメ科植物は、窒素固定を促進する作物であるとよく知られている。マメ科植物は、土壌の健康を維持する目的で何世紀にもわたって輪作に活用されてきた。