Stikstof is het meest voorkomende element in de atmosfeer van de aarde. Een kleine 80% van de atmosfeer bestaat uit stikstof. Het is voor een organisme dus erg gunstig om N2 uit de lucht te gebruiken als stikstofbron, gebonden stikstof hoeft nu niet aanwezig te zijn om te kunnen groeien en het is nu geen limiterende factor meer.
Stikstof is een essentieel element dat wordt gebruikt om nucleotiden op te bouwen (DNA) en aminozuren voor de opbouw van eiwitten.
Alleen organismen met nitrogenase kunnen N2 omzetten in bruikbaar NH3. Toch groeien organismen die nitrogenase bevatten niet snel massaal uit, aangezien de stikstofbiding erg veel energie kost. De totaalreactie wordt weergegeven als:
N2 + 16 ATP + 8e– + 8H+ => 2NH3 + 16 ADP + 16 Pi + H2
De limiterende factor in de groei van stikstofbindende bacteriën is dus de energiebron, organische koolstof in het geval van chemotrofe bacteriën, licht in het geval van autotrofe bacteriën.
Door in symbiose te gaan met hogere organismen, kan dit probleem deels verholpen worden. De stikstofbindende bacteriën leveren gebonden stikstof aan het hogere organisme, terwijl deze energie levert aan de bacterie.
Een voorbeeld van een in symbiose levende cyanobacterie is een korstmos. Een cyanobacterie leeft hier in symbiose met een schimmel. Zonder elkaar kunnen ze niet leven. De cyanobacterie leeft aan de bovenkant. Deze is foto-autotroof, gebruikt zonlicht als energiebron en CO2 als koolstofbron om fotosynthese uit te voeren. Koolstofdioxidebinding gebeurt in de celmembraan, de cyanobacterie heeft geen chloroplasten! Ook heeft deze in een milieu zonder gebonden stikstof heterocysten, waarmee moleculair stikstof uit de lucht gebonden kan worden. De schimmel hecht met zijn hyfedraden op een oppervlak, scheiden zuren uit waarmee het oppervlak verruwd en de hechting beter wordt. De schimmel is chemo-heterotroof, en haalt nutrienten uit het oppervlak of uit de lucht, evenals H2O.
Een voorbeeld van een stikstofbindendt organisme is Rhizobium, die leeft in wortelknolletjes van Vlinderbloemigen, en de symbiose van cyanobacteriën met schimmels die samen korstmossen vormen.
Bij Rhizobium begint het ermee dat de bacterie wordt opgenomen door de wortelharen van een vlinderbloemige plant, waarna een gedeelte van de wortel wordt afgesnoerd. Hierdoor ontstaan er knolletjes waar bacteriën in zitten opgehoopt.
De symbiose tussen plant en bacterie is genetisch bepaalt vanuit de plant.
Waarschijnlijk is het gen voor symbiose met Mycorrhiza gemuteerd bij vlinderbloemigen, zodat alleen deze planten symbiose aan kunnen gaan met Rhizobium.
Rhizobium geeft gebonden stikstof aan de plant, terwijl de plant koolhydraten, proteïnen en zuurstof levert aan de bacterie.
De nitrogenase activiteit van een stikstofbindende bacterie kan geanalyseerd worden met een gaschromatograaf.
