自由生活在土壤或水域中，能獨立進行固氮作用的某些細菌。以分子態氮為氮素營養，將其還原為NH₃，再合成氨基酸、蛋白質。包括好氧性細菌，如固氮菌屬、固氮螺菌屬以及少數自養菌；兼性厭氧菌，如克雷伯氏菌屬；厭氧菌，如梭狀芽孢桿菌屬的一些種。還有光合細菌如紅螺菌屬、綠菌屬以及藍細菌（藍藻），如魚腥藻屬、念珠藻屬等。