Известно, что еще до открытия С. Н. Виноградским свободноживущих азотфиксирующих бактерий внимание исследователей привлекли синезеленые водоросли как азотфиксаторы.
Первые данные об азотфиксации у почвенных водорослей принадлежат Франку, который наблюдал развитие разнообразных зеленых и синезеленых водорослей в сосудах с песком, выставленных на свет. Верхние слои песка в течение нескольких месяцев позеленели, и тогда путем анализа в песке можно было обнаружить заметный прирост азота. При отсутствии развития водорослей, когда песок содержался в темноте, прироста азота обнаружено не было. Наблюдения Франка получили подтверждение в работах Шлезинга и Лорана, показавших в более точных экспериментах, что наряду с обогащением позелепевшего песка азотом происходит уменьшение его в окружающем воздухе. Аналогичные опыты были проведены и другими авторами, с тем же положительным результатом. Бейеринк назвал изученные им синезеленые олигонитрофилами и считал их первыми поселенцами на стерильном песке и вулканических породах — «Urbewohner der Erde».
Результатом первых попыток изучения вопроса явилось признание за всеми водорослями способности к самостоятельной фиксации свободного азота.
Однако упомянутые работы были проведены с культурами, не свободными от бактерий, среди которых могли быть и азотфиксирующие формы. Впервые этот вопрос поставил Коссович, начавший исследование азотфиксации у водорослей с помощью чистых культур. Автор показал, что в условиях абсолютно чистых культур зеленых водорослей никакого увеличения содержания азота в среде не происходит. Если же к культуре водорослей прибавить смесь почвенных бактерий, то в такой смешанной культуре замечается явная азотфиксация. Аналогичные результаты получили и другие авторы. В то же время многочисленными исследованиями было подтверждено, что в почве, содержащей смесь водорослей и бактерий, азот накапливается в большом количестве, особенно при наличии синезеленых водорослей.
Точные исследования способности синезеленых к самостоятельной азотфиксации тормозились тем, что было очень трудно получить чистые культуры этих водорослей, действительно свободные от бактерий, которые, как правило, хорошо развиваются в слизи, обильно выделяемой клетками Cyanophyta. Впервые методика получения абсолютно чистых культур синезеленых была разработана Прингсгеймом, но ни ему, ни его ученикам Мертенсу и Гладе не удалось обнаружить связывание азота в бактериологически чистых культурах Cyanophyta. Правда, впоследствии те же виды, которые были исследованы Прингсгеймом, изучались другими авторами и оказались способными к азотфиксации. В качестве причин такого противоречия предполагаются два обстоятельства: или отсутствие способности к фиксации азота у выделенных Прингсгеймом штаммов, или отсутствие достаточного количества молибдена в среде. Однако опыты Прингсгейма надолго утвердили убеждение, что синезеленые водоросли не фиксируют азот, а растут на безазотистых средах лишь благодаря симбиозу с азотфиксирующими бактериями.
Таким образом, на втором этапе исследования вопроса способность к самостоятельной азотфиксации у водорослей отрицалась, хотя признавалось значение водорослей как симбионтов азотфиксирующих бактерий.
Такое убеждение господствовало до 1928 г., когда Древес выделил в бактериологически чистые культуры Nostoc punctiforme, Anabaena uariabilis и Anabaena sp. и обнаружил их способность фиксировать атмосферный азот. Это была первая работа, давшая действительно убедительные доказательства способности синезеленых использовать молекулярный азот. Все изученные Древесом водоросли оказались способными расти в совершенно свободных от азота питательных растворах, связывая в среднем 2—3 мг азота на 25 мл среды за 2 месяца. Еще более убедительными были работы Эллисона с сотрудниками. Авторы выделили из почвы Nostoc muscorum и показали наличие азотфиксации в абсолютно чистой культуре, причем скорость азотфиксации была здесь значительно выше — 10 мг за 45 дней и 18 мг за 85 дней культуры на 100 см3 среды, не содержащей углеводов. Далее было показано значение различных факторов среды, — таких как pH, аэрация, свет, а также роль некоторых металлов, в частности молибдена.
В то же время были проведены исследования Фрича и Де. Авторы исходили из того интересного факта, что в Индии рис выращивают много лет подряд на одном месте без внесения удобрений. Предварительные опыты показали, что в почвах рисовых полей фиксируется значительное количество азота при условии их затопления, когда развивается обильная водорослевая растительность, состоящая преимущественно из синезеленых водорослей. Из числа последних были выделены в абсолютно чистые культуры 3 вида Anabaena и Phormidium foueolarum. Оказалось, что Phormidium совершенно не обладает способностью фиксировать свободный азот, тогда как в культурах всех трех видов Anabaena была обнаружена значительная фиксация азота.
В последующие годы круг исследований все более расширялся территориально и тематически. Чистые культуры синезеленых изучались разными методами, в том числе изотопным. Эти исследования выяснили не только распространенность азотфиксации, но и основные условия и интенсивность этого процесса у синезеленых водорослей и его связь с другими физиологическими функциями.
Таким образом, на третьем этапе изучения азотфиксации убедительно доказано, что некоторые группы Cyanophyta способны к азотфиксации. Ни для одного из остальных отделов водорослей не доказана способность усваивать свободный азот.
Современный этап изучения азотфиксации характеризуется резким усилением интереса к азотфиксирующим синезеленым и значительным расширением исследований, что обусловлено прежде всего попытками использования синезеленых для удобрения полей, особенно рисовых. Вместе с тем широко изучается роль азотфиксирующей деятельности этих водорослей в различных местообитаниях. Работы развернулись во многих странах мира, особенно в странах Азии — Японии, Индии, Китае, а также в Италии, ОАР и др. Физиологические аспекты азотфиксации изучаются школой Фогга в Англии и частично в США.
В СССР проведен ряд работ, показавших участие синезеленых в обогащении почвы азотом, причем изучались главным образом естественные ценозы водорослей, вместе с бактериями-спутниками. Известны наблюдения об азотфиксирующей роли водорослей в водных местообитаниях. В последние годы стали развертываться исследования и других особенностей азотфиксирующих водорослей.
В связи с тем что механизм азотфиксации у Cyanophyta сходен с таковым у других микроорганизмов, синезеленые привлекли внимание как удобные объекты для изучения энзиматической азотфиксации в бесклеточных препаратах.