农业生产与微生物的关系一直都密不可分。任何植物都必须依靠土壤为基础，从土壤中汲取养分。而土壤形成的本身，及土壤熟化的过程都主要依赖于微生物的作用。微生物分解土壤中植物所不能直接利用的有机质，形成腐殖质，改善了土壤结构，增加了植物可吸收利用的养分。同时，土壤中的一些固氮的微生物把大气中游离态的N2固定到菌体中或土壤里供植物利用，大大改善土壤肥力。另外，土壤中的微生物由于存在着拮抗作用，而产生了许多抗生物质，这些物质可以抑制和杀灭有害微生物，从而使作物生长的更好，使产量大大提高。
古代劳动人民很早就掌握了积肥、沤粪、翻土压青等创造有机肥料腐熟条件以控制微生物的生命活动的规律的生产技术，公元前一世纪的《汜胜之书》中就指出，肥田要熟粪；同时，该书也提出了瓜与小豆间作，即与豆类作物间作，利用豆科植物的共生性固氮作用来改善植物营养条件，可见古人也已知共生固氮的作用了。而公元五世纪，贾思勰所着的《齐民要术》更反复强调了相类似的观点。
微生物在农业生产上的应用主要有这几个方面：①有机肥的腐熟；②生物固氮作用；③土壤中难溶的矿物态磷、硫的转化作用；④生物农药等。人粪尿、厩肥等都是很好的有机肥，这些肥料在施用之前都必须经堆积腐熟后才可使用，否则，会因为有机肥发酵发热而烧坏作物。有机肥腐熟过程就是微生物分解有机物，同时产热的一个过程。有机肥在堆制之初，由于富含有机养料而导致大量微生物生长，在微生物生长的同时，有机物被分解，这时产生了大量的热，导致堆积的有机肥温度上升。在高温和一些耐热的微生物共同作用下，堆积肥中的一些难分解的有机物如纤维素、半纤维素和果胶质等也开始分解，并在堆肥中形成了腐殖质。之后，堆积的肥料开始降温，在这过程中继续有许多有机质被分解，新的腐殖质被形成。最后，堆积的有机肥完全腐熟，而成主要以腐殖质为主的稍加降解就能为植物直接利用的有机肥了。
土壤中的许多微生物中都生物固氮的功能。在农业生产中我们可以有意识地选用固氮能力强的菌种接种到植物上或施用到大田中去，即所谓的菌肥或增产菌。把豆类植物连根拔起，除了看到像胡须一样的根毛之外，我们还能看到根毛上长有许多的小圆疙瘩，这是由于一种微生物侵入植物根部后形成的“肿瘤”，叫根瘤。利用显微镜来观察根瘤，会发现根瘤中住着一种叫根瘤菌对细菌。它们在侵入植物根部后能分泌一些物质刺激根毛的薄壁细胞，很快增殖就形成了“肿瘤”。根瘤菌是依赖于植物提供营养来生活的，同时，它们也把空气中游离的氮固定下来供给植物利用。一个小小的根瘤就像一个微型化肥厂一样，源源不断地把氮转变成氨，供给植物吸收，使它们枝繁叶茂，欣欣向荣。
我国山东大学的聂延富等人还发明了小麦固氮技术，他们用植物生长剂“2，4-D”将根瘤菌导入小麦根系，并形成根瘤，从而使小麦也可以固氮。在国外，许多科学家利用细胞融合技术或基因技术，使一些树木或作物获得固氮机制。如在新西兰，科学家将自养固氮菌融合到松树的外生菌根原生质体中，培养200天后使松树具有固氮作用。日本科学家用重组基因技术改良水稻固氮菌，他们利用基因重组技术，改变细菌的染色体，破坏阻碍固氮的基因，并促使固氮基因充分发挥作用，从而提高水稻固氮菌的固氮能力。
科学家经研究发现，除根瘤菌有固氮作用外，光合细菌中的红螺菌和蓝细菌也能进行固氮。其中固氮的蓝细菌是提供氮肥来源的一类重要的生物，目前，已在许多国家水稻中试养蓝细菌，促进水稻增产获得成功。在印度，曾有广泛的田间试验，结果表明，在完全不施化肥的情况下，使用蓝细菌后，可使每公顷土壤增加氮素约20～30公斤，稻谷增产10％～15％。近年来，在我国湖北省也大面积放养蓝细菌获得成功。
虽然地球的岩石中含磷量很高，但多数磷都以难溶性的磷酸盐形式存在，这些磷酸盐不能为植物所利用。而土壤中含有的一些细菌如氧化硫硫杆菌、磷细菌等则可以通过产酸或直接转化磷盐存在的形式而成为植物可利用的成分。因而在农业生产上，我们可以培养这类细菌，然而把它们放养到缺磷肥的土壤中去，通过这类微生物的转化，即可使该土壤成为富含磷肥的地块而使作物高产。
现在人们为了防治病虫害，获得粮食高产而广泛使用农药。据统计，目前世界上生产和使用农药的多达1300多种，其中主要是化学农药。过去化学农药在植保工作中一直占主导地位。但是，由于化学农药对所有生物都有毒害作用，有些化学农药在土壤中很难降解，如DDT、六六六、艾氏剂等通过食物链的富集，现在已成为一种公害。因此，寻找高效、低毒、低残留的农药已成为当务之急，而生物农药的出现恰解决了这一难题。生物农药统属于所谓的“第三代农药”。第三代农药包括杀灭剂、绝育剂、性诱剂、拒食剂、激素等，这些多数是生物代谢的产物。生物农药根据其作用可分为杀虫剂、农用抗生素、除草剂和植物生长激素等。
生物杀虫剂包括细菌、真菌和病毒等微生物，目前主要是苏方金杆菌和日本金龟子芽孢杆菌已被用作细菌杀虫剂。这类细菌对人畜无害，而当昆虫吃下这类细菌即可发病而死亡。真菌杀虫剂种类很多，目前最常用的是白僵菌，它主要可以用来防治玉米螟、松毛虫、甘薯象虫、大豆食心虫、苹果食心虫和栎褐天蛾等许多农林害虫。昆虫病毒是近年来开始使用的生物杀虫剂，如美国的棉铃虫病毒，日本的赤松毛虫病毒，我国的桑毛虫核型多角体病毒在防治一定的病虫害上也取得了良好效果。
有一些真菌长在昆虫体内，叫虫生真菌，它也可以消灭害虫。蝗虫是一种危害农作物的害虫，以前我国的一些地区闹蝗虫，数不清的蝗虫在天空飞舞，遮天蔽日，它们飞过庄稼地，庄稼的叶子、杆子就会被吃得精光，颗粒无收。而现在，人们发现了一种能使蝗虫得病的真菌——蝗虫霉。它可谓蝗虫的克星。
松毛虫是危害松树的大敌，它们专门食用松树的叶子，使松树大片大片地死亡。以前人们对付松毛虫的办法就是喷洒化学药剂，但是喷药杀灭了一些松毛虫，却也株连了许多森林害虫的天敌，结果使害虫更加泛滥。后来人们使用白僵菌来杀死松毛虫，还可以保护害虫的天敌，使益虫和白僵菌一道共同杀敌。白僵菌现在已被制成农药，通过喷洒到森林、田间的方法，消灭害虫，成为我们的新式武器。但是白僵菌除了对付松毛虫外，还能使家蚕得病，所以在养蚕业发达的地方如何使用白僵菌还有待于去研究。
农用抗生素是由多种微生物，特别是放线菌所产生的一类抑制有害微生物生长的生物制剂，目前在农业生产中使用的抗生素很多，像医用的链霉素、氯霉素、土霉素等在防治瓜果、蔬菜的一些细菌性病害中同样有效。
微生物在环境保护中的应用
由于环境污染直接危害着人类的生存，现在，环境问题已成为世界各国面临的一个主要的问题。要保护环境，首先就要消除那些造成环境污染的因素。现在，人们在利用微生物改造自然、清除污染，在保护环境方面，微生物又为我们立下了“汗马功劳”。
由于生命每时每刻都在进行着新陈代谢，每天从树上都要掉下来许多落叶；动物，包括人类每天要排出许多粪便；从地球上有了生物到现在，每天都有大量动物、植物和人类死亡；人们每年要扔掉许多废纸、烂菜叶等东西。假如这些东西没有被转化的话，我们的地球就会早已被废物厚厚地包围起来，根本就不会有人类的立足之地。
大家都知道，绿色植物利用空气中的CO2合成大量有机物，供给人和动物食用。但是空气中的CO2的含量是有限的，如果一味使用而没有补充，空气中的CO2早就被用完了；如果没有了CO2，绿色植物就不能生长，人和动物没有食物就得饿死。这些可怕的现象为什么都没有发生呢？那是因为有了微生物的存在。
地球上的树叶、动、植物的尸体，还有我们扔掉的许多垃圾，它们经过微生物的作用，被分解。微生物将分解这些东西后得到的水送入空中或地下；将这些物质里的碳元素以CO2的形式还原给空气，使空气中的CO2保持恒定；将这些物品中的其它元素，如氮、硫、磷等都送回土壤中，成为植物的肥料，或送入大气中，以弥补大气中损失掉的这些元素。微生物在环境净化方面功不可没。
由于现代农业上经常使用化学农药，土壤中的农药天长日久地逐渐积累，就会随地下水流入江河，污染水源，影响水里的动物和人类的生命健康。而微生物则能够分解土壤中残留的农药变成无毒的物质。
我们每天都离不开水，现在缺水已经成为制约城市发展的主要因素。尽管如此，仍然有许多水源被污染。工业污水和我们的日常生活污水是污染水主要来源。这些污水流入江、河、湖、海，使水源不能使用。同时还破坏了水生生物，破坏了水产资源。为了保护环境，保护资源，保护人畜，污水在排入江、河、湖、海之前需要进行净化处理。微生物在这一方面又起到了其他生物无法替代的作用。
研究发现有些微生物具有独特的本领，它们专门吃有毒的物质，最后把这些有毒的物质变成无毒的物质，这样污水变成了干净的水。同时人类还可以回收一些重要的物质，像一些贵重的金属如金、银、钴、镍、铀等。微生物吃掉这些东西，人们再通过一些办法把这些金属从它们的身体里取出来重新利用。另外细菌体还可以用作饲料或肥料用。
近代的所谓工业文明给地球生态环境带来了严重的污染、破坏。我们的生存环境已恶化到了非治理不可的地步了。科学家估计，治理环境所需的开销远大于人类以环境为代价创造的财富，而且，有些生态的破坏已不可复原，人类在征服自然方面显然是打了一个败仗。人类的发展同环境的保护应该是统一的这一全人类的共识，许多人根本没有意识到。人类总是在先污染后治理的这样一个怪圈中反复着。
虽然污染物排放到环境中，降解过程有物理、化学方面的作用，但主要还是靠微生物来降解。发酵工程的巨大威力使人们看到了彻底治理环境的曙光。
20世纪60年代以来，海面的浮油污染已经成为环境保护中最难解决的问题之一。浮油的来源不仅有油轮失事，还有货轮和沿岸工厂经常性的排放污油。地球的整个海洋表面上出现了一大片一大片的油污，久久不肯褪去。一些学者找到一些以石油为食的微生物（嗜烃菌），筛选出生命力最强的菌株，供给最充分的营养，使它们活性更强，然后大量繁殖，配制成一瓶一瓶的药液——浓缩的菌液。只要在被污染的海面上洒上一定数量的药液，不出一周，80％油污即会被这些微生物吞吃掉，产品则是二氧化碳和菌体蛋白。这种神奇的药液已经商品化，可以大量生产了。彻底解决海面浮油污染已指日可待。
土壤的DDT污染与海面浮油污染非常相似。DDT是一种高效杀虫农药，20世纪20年代起风行于全世界，但60年代即被禁用。原因是它在使用后不会自行分解，而是积聚在土壤中。土壤中的DDT会通过农作物的根系进入农作物，然后又会进入人体积聚于人的肝脏，损害人体健康。即使在DDT被禁用以后，这个问题仍未解决。因为经过数十年的使用，DDT在土壤中的浓度已经很高了，而且自然界的净化能力对它毫无办法。这些DDT仍在不断地侵蚀人们的肝脏，医生们认为这是各类肝病，包括肝癌，发病率持续上升的原因之一。
20世纪80年代后期，人们终于找到了从全球的土壤中根本清除DDT的办法。一些科学家将一种昆虫的耐DDT基因转移到细菌体内，培育出了一种专门“吃”DDT的细菌，再大量培养，制成药液。这种药液喷洒到土壤中，不出数天，土壤中的DDT就会被“吃”得一干干净。
西欧各国已经转向甲烷（沼气）发酵来处理工业废水、废渣。日本过去只是在酒精工业的废水、废渣处理方面普遍采用甲烷发酵，现在又推广到食品工业、制药工业的废水处理中，对城市人粪尿的处理也很有效；英国、美国、联邦德国和俄罗斯也建了许多城市工业及生活废水（渣）的大型沼气发酵厂。把令人头疼的垃圾变成可以作燃料的沼气，“变废为宝”，这的确称得上是一举两得的事情。伦敦的沼气发酵厂每年可以回收沼气8800万立方米；美国洛杉矶污水处理厂每天回收沼气400万立方米；联邦德国则建成了1.2万立方米的单级沼气池！
另外，人们还用丙烯腈氧化菌来处理腈纶生产中的废水，每天可以处理500～700吨废水，效果也非常不错。用混合菌系统处理对人和动物毒性极大的三硝基甲苯（TNT）废水，处理后的水可以达到排放标准。英国帝国化学公司用固定化镰刀菌去除含氰化合物的研究也已获得成功。
把基因工程研究运用在污染降解方面最着名的人物是名为查克拉巴蒂的美籍印度人。他用几株对人无害的细菌菌株，通过质粒的传递作用，把每个菌株中的质粒（含有降解石油的基因）都集中到一种菌株上，这种含有多基因的细菌被称为“超级细菌”，它可以降解四种石油组分。查克拉巴蒂还提出了清理油泄漏的具体办法：将“超级细菌”在实验室里培养，与稻草混合后干燥。这样粘着于草上的细菌可以保藏，而在投入泄漏的石油上时，稻草杆所吸入的油分，就可以被细菌降解。这项发明后来成为美国第一个获得批准的基因工程菌专利。
现在人们利用微生物控制环境污染的方法主要有两种：一种是提高被污染地区中微生物的生长和分解能力；一种是在污染地区喷洒更多的或新的微生物。生活污染物主要是一些有机物质，这些物质进入环境可以为微生物提供很好的碳源和氮源，通过微生物分解后，这些物质最终变成土壤的组成部分。生产带来的污染物比较复杂，既有有机的物质，也有无机的矿物盐和金属离子，甚至有的含放射性物质，这些东西的降解和转化也主要靠微生物。
微生物虽小，但本领却很大，它不仅在生物圈的物质和能流循环中起到关键作用，甚至可以变废为宝。随着科学技术的不断发展，微生物还会在许多方面为人类作出更大的贡献。
