生物固氮是指固氮微生物將大氣中的氮氣還原成氨的過程。這一過程主要發生在少數種類的細菌和藻類中，對於自然界的氮循環起著至關重要的作用。生物固氮的機理涉及以下幾個關鍵點：
還原過程。生物固氮是一個還原過程，需要還原劑提供電子，以將一分子N2還原成兩分子的NH3，這個過程需要6個電子和6個H+。電子供體可能包括丙酮酸、NADH、NADPH、H2等，而電子載體可能包括鐵氧還蛋白(Fd)、黃素氧還蛋白(Fld)等。
能量需求。固氮過程需要能量。由於N2分子具有三價鍵，打開這個鍵需要大量能量，大約每傳遞兩個電子需要4~5個ATP。整個過程至少需要12~15個ATP。
固氮酶的作用。固氮過程在固氮酶的作用下進行，這是一種能夠將分子氮還原成氨的酶。固氮酶由兩種蛋白質組成：一種含有鐵，稱為鐵蛋白；另一種含有鐵和鉬，稱為鉬鐵蛋白。這兩種蛋白質同時存在時，固氮酶才具有固氮作用。
氧敏感性。固氮酶對氧氣敏感，因此需要在厭氣條件下或極低的氧分壓下進行。固氮微生物通過不同的機制來保護自己不受氧的影響，例如通過呼吸保護機制或根瘤中的豆血紅朊保護。
產物轉化。為了防止對固氮作用的抑制效應，固氮產物NH3需要及時轉化，形成胺基酸和其他含氮化合物。
生物固氮是維持自然界氮循環的關鍵過程，對於農業和生態系統中的氮素供應至關重要。通過了解生物固氮的原理，可以為農業提供可持續的肥源，同時保護環境免受化學肥料的不良影響。