Azotobacter是一种通常具有运动性的、呈椭圆形或球形的细菌，它们形成厚壁的囊泡（也有硬壳），并可能产生大量包膜粘液。它们是土壤中的自由生活的需氧微生物，在自然界中起着重要的作用，固定大气中的氮气，这种氮气对植物不可利用，并将其释放成铵离子进入土壤（固氮作用）。除了作为研究固氮生物的模式生物外，Azotobacter还用于人类的生物肥料、食品添加剂和某些生物聚合物生产。属的代表种Azotobacter chroococcum是由荷兰微生物学家和植物学家Martinus Beijerinck于1901年发现并描述的。Azotobacter种是中性或碱性土壤、水中以及某些植物中的革兰氏阴性细菌。
生物特性
形态学
Azotobacter属的细胞相对较大，对于细菌来说直径为2–4微米。它们通常呈椭圆形，但可以从杆状到球形不等。在显微镜下，细胞可以分散或形成不规则的簇或偶尔形成不同长度的链。在新鲜培养物中，细胞由于拥有众多鞭毛而具有运动性。后来，细胞失去其运动性，几乎变成球形，并产生一层厚厚的粘液，形成细胞囊泡。细胞形状受到培养基中存在的氨基酸甘氨酸的影响。
在放大镜下，细胞显示有包含体，其中一些是彩色的。在20世纪初，这些彩色的包含体被认为是“生殖颗粒”，或称为生殖细胞——一种类似胚胎的细胞。然而，后来确定这些颗粒不参与细胞分裂。彩色的颗粒由volutin组成，而无色的包含体是脂肪滴，作为能量储备。
孢子
Azotobacter属的孢子比营养细胞更能抵抗不良环境因素；特别是，它们对紫外线的抵抗力是营养细胞的2倍。它们还抵抗干燥、超声波、伽马和太阳辐射，但不耐热。
孢子的形成是由培养基中营养物浓度的变化以及添加某些有机物质（如乙醇、正丁醇或β-羟基丁酸）所诱导的。在液体培养基中很少形成孢子。孢子的形成是由化学因素诱导的，并伴随着代谢转变、代谢途径的变化、呼吸作用和生物大分子的生物合成；它也受到醛脱氢酶和响应调节子AlgR的影响。
Azotobacter的孢子是球形的，由所谓的“中央体”和“双层壳”组成。中央体是营养细胞的简化版，具有几个囊泡。内壳层被称为内膜，具有纤维状结构。外壳层具有六角晶格结构，称为外壳。外壳部分被胰蛋白酶水解，并抵抗溶菌酶，与中央体不同。中央体可以通过一些螯合剂以活性的状态分离出来。外壳的主要成分是长链烷基苯并酚，它们也存在于其他细菌、动物和植物中。
孢子的萌发
Azotobacter属的孢子是营养细胞的休眠形式；然而，与普通的营养细胞不同，Azotobacter的孢子并不具有繁殖功能，而是为了生存于不良环境因素而必需的。在环境条件恢复到最佳状态后，包括一定的pH值、温度和碳源，孢子开始萌发，新形成的营养细胞通过简单的分裂方式增殖。在孢子萌发过程中，孢子会受到损害并释放出一个大的营养细胞。在显微镜下，孢子萌发的第一个迹象是逐渐降低的光折射，这可以通过相位对比显微镜检测到。孢子的萌发大约需要4-6小时。在萌发过程中，中央体生长并捕获了位于内膜（最内层）的volutin颗粒。然后，外壳破裂，营养细胞从外壳中释放出来，外壳具有特征性的马蹄形。这一过程伴随着代谢变化。在提供碳源后，孢子立即开始吸收氧气并释放二氧化碳；这一过程的速率在四小时后逐渐增加并达到饱和。在添加碳源后的五小时内，蛋白质和RNA的合成同时进行，但在添加葡萄糖到无氮营养基质后的五小时内，DNA的合成和固氮作用才开始启动。
孢子的萌发伴随着内膜的变化，这些变化可以通过电子显微镜观察到。内膜由碳水化合物、脂质和蛋白质组成，体积几乎与中央体相同。在孢子萌发过程中，内膜被水解并被细胞用于合成其成分。
生理特性
Azotobacter通过氧化还原反应进行有氧呼吸，以有机化合物为电子供体，并可以使用多种碳水化合物、醇类和有机酸的盐作为碳源。
Azotobacter可以固定至少每克葡萄糖消耗10微克的氮。氮固定需要钼离子，但它们可以部分或完全被钒离子取代。如果大气中的氮不能被固定，氮的来源可以取而代之的是硝酸盐、铵离子或氨基酸。生长和氮固定的最佳pH值为7.0–7.5，但在pH值从4.8到8.5的范围内，生长仍可维持。Azotobacter也可以在分子氮的无营养基质中生长，这种生长方式是氢依赖的。土壤中存在氢气，因此这种生长方式可能在自然界中发生。
在生长过程中，Azotobacter产生平坦、粘稠、类似浆糊的菌落，直径为5–10毫米，在液体营养基质中可能形成薄膜。菌落的颜色可以是深棕色、绿色或其他颜色，或者无色，这取决于物种。在20–30°C的温度下，生长最为有利。
Azotobacter属的细菌在某些环境条件下（例如，缺乏磷、氮或氧元素，同时碳源供应过量）也已知会形成多羟基烷酸的内含体。
色素
Azotobacter产生色素。例如，Azotobacter chroococcum形成一种深棕色的水溶性色素——黑色素。这种过程在氮固定期间代谢水平较高时发生，并且被认为可以保护氮酶系统免受氧气的损害。其他Azotobacter物种产生从黄色绿色到紫色的色素，包括一种绿色的荧光色素和一种发出蓝白色荧光的色素。
基因组
Azotobacter vinelandii, 菌株AvOP的染色体核酸序列部分已知。这是一个环状的DNA分子，含有5,342,073个核苷酸对和5,043个基因，其中4,988个编码蛋白质。鸟嘌呤+胞嘧啶对的比例为65摩尔%。细胞中的染色体数量和DNA含量随老化增加，在静止期生长阶段，培养物中可能含有每细胞超过100个染色体副本。当将培养物重新种植到新鲜培养基中时，原始的DNA含量（一个副本）得以恢复。除了染色体DNA外，Azotobacter还可以含有质粒。
分布
Azotobacter属的物种在碱性和中性土壤中普遍存在，但在酸性土壤中则不常见。它们也在北极和南极土壤中发现，尽管这些土壤的气候寒冷、生长季节短和pH值相对较低。在干燥的土壤中，Azotobacter以孢子的形式可以存活长达24年。
Azotobacter属的代表种也存在于水生栖息地，包括淡水和盐沼。几个成员与植物有关，并存在于根际，与植物有一定的关系。一些菌株也发现于蚯蚓Eisenia fetida的茧中。
氮固定
Azotobacter属的物种是自由生活的固氮细菌；与根瘤菌属的物种不同，它们通常在没有与植物形成共生关系的情况下，从大气中固定分子氮，尽管有些Azotobacter物种与植物有关联。氮固定在存在可用氮源，如铵离子和硝酸盐的情况下会受到抑制。
Azotobacter物种拥有完成氮固定所需的所有酶：铁氧还蛋白、氢酶和重要的酶氮酶。氮固定的过程需要腺苷三磷酸（ATP）形式的能量输入。氮固定对氧气的存在非常敏感，因此Azotobacter发展了一种特殊的防御机制来抵御氧气，即代谢的显著增强，这降低了细胞中氧气的浓度。还有一种特殊的氮酶保护蛋白，它保护氮酶并参与保护细胞免受氧气的损害。不产生这种蛋白的突变体在培养基中无氮源的情况下进行氮固定时，会被氧气杀死。羟基柠檬酸离子在Azotobacter的氮固定过程中起着一定的作用。
氮酶
氮酶是参与氮固定的最重要的酶。Azotobacter物种拥有几种氮酶。基本类型是钼铁氮酶。另一种类型含有钒；它不依赖钼离子并且在低温下比钼铁氮酶更活跃。因此，它可以在5°C的温度下固定氮，其低温活性是钼铁氮酶的10倍。在钼铁氮酶的成熟过程中，所谓的P簇起着重要作用。氮酶的合成受nif基因控制。氮固定受到增强蛋白NifA和通过氧化还原依赖性开关调节氮固定基因转录的“传感器”黄素蛋白NifL的控制。这种依赖于两种蛋白形成复合物的调节机制在其他系统中不常见。
重要性
氮固定在氮循环中起着重要作用。Azotobacter还合成一些生物活性物质，包括一些植物激素，如生长素，从而刺激植物生长。它们还促进土壤中重金属的移动，从而增强从土壤中去除重金属（如镉、汞和铅）的生物修复。一些Azotobacter种类还能生物降解含氯芳香化合物，如2,4,6-三氯苯酚，这种化合物以前被用作杀虫剂、杀菌剂和除草剂，但后来被发现具有致突变和致癌效应。
应用
由于它们能够固定分子氮并因此提高土壤肥力，刺激植物生长，Azotobacter物种在农业中得到广泛应用，特别是在氮生物肥料中，如Azotobacterin。它们还用于生产褐藻酸，这种物质在医学中用作抗酸剂，在食品工业中作为冰淇淋、布丁和奶油的添加剂。
分类学
Azotobacter属是由荷兰微生物学家和植物学家Martinus Beijerinck于1901年发现的，他是环境微生物学的创始人之一。他选择了并描述了物种Azotobacter chroococcum——第一个好氧、自由生活的氮固定菌。
1909年，Lipman描述了Azotobacter vinelandii，一年后，Lipman将Azotobacter beijerinckii命名为纪念Beijerinck。1949年，俄罗斯微生物学家Nikolai Krasilnikov确定了Azotobacter nigricans Krasil’nikov, 1949这一物种，并在1981年，Thompson Skerman将其分为两个亚种——Azotobacter nigricans subsp. nigricans和Azotobacter nigricans subsp. achromogenes；同年，Thompson和Skerman描述了Azotobacter armeniacus Thompson和Skerman, 1981。1991年，Page和Shivprasad报告了一种微需氧和空气耐受型的Azotobacter salinestris Page和Shivprasad 1991，这种菌依赖于钠离子。
早些时候，该属的代表被归类到Azotobacteraceae Pribram, 1933家族中，但后来根据16S rRNA核苷酸序列的研究，被转移到Pseudomonadaceae家族。2004年的一项系统发育研究表明，A. vinelandii与细菌Pseudomonas aeruginosa属于同一分支，2007年有人建议Azotobacter、Azomonas和Pseudomonas这些属之间关系密切，可能为同义词。