生物固氮是固氮微生物特有的一种生理功能,这种功能是在固氮酶的催化作用下进行的.固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶.固氮酶是由两种蛋白质组成的：一种含有铁,叫做铁蛋白,另一种含有铁和钼,叫做钼铁蛋白.只有铁蛋白和钼铁蛋白同时存在,固氮酶才具有固氮的作用.生物固氮过程可以用下面的反应式概括表示.N2＋6H+＋nMg-ATP＋6e-（酶）→2NH3＋nMg-ADP＋nPi分析上面的反应式可以看出,分子氮的还原过程是在固氮酶的催化作用下进行的.有三点需要说明：第一,ATP一定要与镁（Mg）结合,形成Mg-ATP复合物后才能起作用；第二,固氮酶具有底物多样性的特点,除了能够催化N2还原成NH3以外,还能催化乙炔还原成乙烯（固氮酶催化乙炔还原成乙烯的化学反应,常被科学家用来测定固氮酶的活性）等；第三,生物固氮过程中实际上还需要黄素氧还蛋白或铁氧还蛋白参与,这两种物质作为电子载体能够起到传递电子的作用.铁蛋白与Mg-ATP结合以后,被黄素氧还蛋白或铁氧还蛋白还原,并与钼铁蛋白暂时结合以传递电子.铁蛋白每传递一个e-给钼铁蛋白,同时伴随有两个Mg-ATP的水解.在这一催化反应中,铁蛋白反复氧化和还原,只有这样,e-和H+才能依次通过铁蛋白和钼铁蛋白,最终传递给N2和乙炔,使它们分别还原成NH3和乙烯.