也稱為反硝化作用。反硝化細菌在缺氧條件下還原硝酸鹽並釋放分子氮(N2)或壹氧化二氮(N2O)。微生物和植物吸收利用硝酸鹽有兩種完全不同的用途。壹種是以氮為氮源，稱為同化硝酸鹽還原:NO3-→NH4+→有機氮。許多細菌、放線菌和黴菌都可以利用硝酸鹽作為氮營養。另壹個目的是利用NO2-和NO3-作為呼吸作用的最終電子受體，將硝酸還原為氮氣(N2)，稱為反硝化或反硝化作用:NO3-→NO2-→N2↑。只有少數細菌能進行反硝化作用，這個生理群稱為反硝化細菌。大多數反硝化細菌是異養細菌，如脫氮微球菌、脫氮假單胞菌等。它們利用有機物作為厭氧呼吸的氮源和能源，其生化過程可表示如下:
c6h 12o 6+12 NO3-→6H2O+6 CO2+12 NO2-+能量
ch 3c ooh+8 NO3-→6H2O+10 CO2+4 N2+8OH-+能量
少數反硝化菌為自養菌，如脫氮硫桿菌，氧化硫或硝酸鹽獲得能量，同化二氧化碳，以硝酸鹽作為呼吸作用的最終電子受體。可以進行下列反應:
5S+6KNO3+2H2O→3N2+K2SO4+4KHSO4
反硝化作用將硝酸鹽還原為氮，從而降低土壤中氮營養的含量，對農業生產不利。在農業中，中耕通常用於疏松土壤，以防止反硝化作用。反硝化作用是氮循環中不可缺少的環節，它可以減少由於土壤淋溶而流入河流和海洋的NO3-,消除硝酸積累對生物的毒害作用。
硝化作用:
氨氧化為亞硝酸鹽的過程是由兩組微生物完成的:氨氧化細菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)[1]。氨氧化細菌可以在變形菌綱的β-變形菌和γ-變形菌中找到[2]。目前只分離發現了壹種氨氧化古細菌——硝化單胞菌[3] [4]。土壤中研究最多的氨氧化細菌屬於亞硝化單胞菌屬和亞硝化球菌屬。雖然氨氧化在土壤中的細菌和古細菌中都有發生，但古細菌的氨氧化同時在土壤和海洋環境中占據首要地位[5][6]，這意味著全古細菌可能是這些環境中氨氧化的最大貢獻者。第二步(亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的步驟)主要由細菌中的硝化桿菌完成。以上步驟都會產生能量，並結合成三磷酸腺苷。硝化生物是化能自養細菌，利用二氧化碳作為其生長的碳源。壹些氨氧化細菌有壹種叫做脲酶的酶，它催化尿素分子分解成兩分子氨和壹分子二氧化碳。研究發現，歐洲亞硝化單胞菌與土生氨氧化細菌壹樣，可以通過卡爾文循環同化脲酶反應產生的二氧化碳產生生物質能，並通過將氨(脲酶的另壹產物)氧化為亞硝酸鹽的過程收獲能量。這壹特性可以解釋為什麽酸性環境中尿素的存在會促進氨氧化細菌的生長[7]。
硝化作用在城市汙水反硝化過程中也起著重要的作用。常規脫氮是先硝化後反硝化。這個過程的消耗主要花在曝氣(將氧氣帶入反應器的過程)和為反硝化提供額外的碳源(如甲醇)上。
飲用水中也會發生硝化作用。在配水系統中，氯胺常用作二級消毒劑，遊離氨可作為氨氧化微生物的底物。這種相關反應可以減少系統中消毒劑的殘留量[8]。
這些生物可以同時存在於大多數環境中，它們產生的最終產物是硝酸鹽。但是，可以設計壹個只產生亞硝酸鹽的系統(見Sharon過程)。
硝化和氨化共同構成了壹個無機過程，是指有機物完全分解並釋放出可利用的含氮化合物的過程。這個過程完成了氮循環。