질소 고정 세균(窒素固定細菌, 영어: diazotroph)은 대기 중의 질소(N₂)를 암모니아(NH₃) 또는 암모늄 이온(NH₄⁺) 등 생물이 이용 가능한 형태로 전환하는 세균 또는 고균을 통틀어 이르는 말이다. 이 과정을 질소 고정(nitrogen fixation)이라고 하며, 니트로게나아제(nitrogenase)라는 효소 복합체에 의해 촉매된다. 대기 중에는 풍부한 질소 가스가 존재하지만 대부분의 생물은 이를 직접 이용할 수 없기 때문에, 질소 고정 세균은 생태계의 질소 순환에서 핵심적인 역할을 담당한다.
질소 고정 세균은 크게 두 가지 유형으로 나뉜다. 첫째는 공생 질소 고정 세균으로, 특정 식물과 상리 공생 관계를 맺으며 질소를 고정한다. 대표적인 예로 리조비움속(Rhizobium) 세균이 있으며, 이들은 콩과 식물(legumes)의 뿌리에 침투하여 뿌리혹(근류, root nodule)을 형성하고 그 안에서 질소를 고정한다. 식물은 광합성으로 생성된 탄수화물을 세균에 제공하고, 세균은 고정한 질소 화합물을 식물에 공급하는 상호 의존 관계가 성립된다. 이 외에도 브라디리조비움속(Bradyrhizobium), 아조리조비움속(Azorhizobium), 시노리조비움속(Sinorhizobium) 등이 있다.
둘째는 자유생활 질소 고정 세균(free-living nitrogen-fixing bacteria)으로, 다른 생물과 특별한 공생 구조를 형성하지 않고 토양이나 수중에서 독립적으로 생활하며 질소를 고정한다. 대표적인 속으로는 호기성 세균인 아조토박터속(Azotobacter), 혐기성 세균인 클로스트리디움속(Clostridium), 그리고 광합성 능력을 가진 시아노박테리아(cyanobacteria, 남세균) 등이 있다. 이들은 공생 세균에 비해 개체당 질소 고정 능력은 일반적으로 낮지만, 다양한 환경에 널리 분포하여 생태계 전반의 질소 공급에 기여한다.
질소 고정 과정은 니트로게나아제 효소에 의해 이루어지며, 이 효소는 산소에 매우 민감하다. 따라서 질소 고정 세균은 산소로부터 효소를 보호하기 위한 다양한 전략(예: 두꺼운 세포벽, 호흡 보호, 산소 제거 단백질 등)을 발달시켰다. 니트로게나아제는 Fe 단백질과 MoFe 단백질로 구성되며, MoFe 단백질 내의 FeMo-보조인자(FeMo-cofactor)에서 실제로 질소 분자가 환원된다.
질소 고정 세균은 농업에서 중요한 응용 가치를 지닌다. 콩과 작물과 공생하는 리조비움 세균을 종자에 접종하는 기술은 오래전부터 활용되어 왔으며, 이를 통해 화학 질소 비료의 사용량을 줄일 수 있다. 또한 자유생활 질소 고정 세균을 이용한 미생물 비료(biofertilizer)는 지속 가능한 농업과 유기 농업 체계에서 주목받고 있다. 최근 연구에서는 질소 고정 세균 중 일부가 온실가스인 아산화질소(N₂O)를 질소(N₂)로 환원하는 능력(nosZ 유전자 보유)도 가지고 있어, 농업 분야의 온실가스 저감에도 기여할 가능성이 제기되고 있다.
