Nitrate hóa là quá trình oxi hóa NH4+ thành NO3-, cung cấp năng lượng cho vi sinh vật hoạt động. Quá trình oxi hóa này xảy ra cùng với quá trình đồng hóa CO2. Hầu hết các vi sinh vật tự dưỡng hóa năng vô cơ thuộc loại hiếu khí bắt buộc đều có khả năng thực hiện quá trình này. Nitrate hóa qua 2 giai đoạn:

Đầu tiên là giai đoạn oxi hóa amoni (NH4+) thành nitrite (NO2-) bởi một số đại diện thuộc nhóm vi khuẩn nitrite hóa: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosolobus... Tất cả chúng khá giống nhau về mặt sinh lý, sinh hóa, chỉ khác nhau về mặt hình thái học và cấu trúc tế bào. Các đại diện của chi Nitrosomonas không sinh nội bào tử, tế bào nhỏ bé hình bầu dục. Trên môi trường lỏng, quá trình phát triển của vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas trải qua một số giai đoạn và phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường.

Giai đoạn 2 của quá trình nitrate hóa oxi hóa nitrite (NO2-) thành nitrate (NO3-) bởi một số vi khuẩn: Nitrobacter Winogradsky, Nitrospina gracilis, Nitrococcus mobilis.

Tế bào đặc trưng của nhó vi khuẩn Nitrobacter trong dịch nuôi là dạng hình que tròn, hình hạt đậu, hoặc hình trứng, có thể di động hoặc không di động. Khi điều kiện không thuận lợi chúng có thể liên kết với nhau thành tập đoàn. Nitrospina gracilis là những trực khuẩn thẳng, thỉnh thoảng có dạng hình cầu, không di động, và có đặc trưng là liên kết tạo thành tập đoàn. Nitrococcus mobilis thì có dạng hình tròn, có tiêm mao.

pH thích hợp cho nhóm vi khuẩn Nitrosomonas là từ 7,8 đến 8, Nitrobacter là từ 7,3 đến 7,5. Nitrobacter sẽ tăng trưởng chậm hơn ở các mức pH cao đặc trưng cho các thủy vực nước mặn. Nitrosomonas sống ở những nơi giàu NH3 và các muối vô cơ như trong bùn đáy ao, nước cống, nước ngọt, các thủy vực bị ô nhiễm chứa nhiều hợp chất nitơ nhằm tránh ánh sáng. Nitrobacter không có khả năng di động và cần phải bám vào bề mặt giá thể như đá, cát, hoặc một giá thể sinh học … Nitrobacter không thể sống trong môi trường khô. Trong môi trường nước, chúng có thể tồn tại trong khoảng thời gian ngắn ở các điều kiện bất lợi nhờ vào việc sử dụng các chất dự trữ bên trong tế bào.

Oxy hóa amoni bao gồm hai phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa của quá trình bị khống chế bởi gian đoạn có tốc độ thấp hơn. Tốc độ phát triển của Nitrosomonas chậm hơn Nitrobacter do đó nồng độ NO2- thấp hơn trong giai đoạn ổn định. Vì vậy trong quá trình động học người ta chỉ sử dụng các thông số liên quan đến vi khuẩn Nitrosomonas để đặc trưng cho quá trình oxy hóa amoni.

Quá trình chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ không chỉ diễn ra do các chi vi khuẩn nói trên mà trong tự nhiên còn nhiều nhóm vi sinh vật khác cũng có khả năng chuyển hóa như vậy.

NO3- là sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa amoni chưa được coi là bền vững và còn gây độc cho môi trường nên cần phải chuyển hóa về dạng khí N2. Vi sinh vật thực hiện quá trình chuyển hóa là các vi sinh vật khử nitrate bao gồm một số vi sinh vật thuộc các chi như Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Thiobacillus. Các vi sinh vật khử nitrate sử dụng oxy hoặc nitrate, nitrite làm chất oxy hóa để cung cấp năng lượng cho các quá trình sinh hóa.

Quá trình khử nitrate thường được nhận dạng là khử nitrat thiếu khí, tuy nhiên diễn biến quá trình sinh hóa không phải là quá trình lên men thiếu khí mà nó giống quá trình hô hấp hiếu khí nhưng thay vì sử dụng oxy, vi sinh vật sử dụng oxi từ nitrate. Để khử nitrate, vi sinh vật cần có chất khử (nitrate là chất oxy hóa), chất khử có thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ như H2, S, Fe2+. Phần lớn vi sinh vật khử nitrate thuộc loại dị dưỡng, sử dụng nguồn carbon hữu cơ để xây dựng tế bào ngoài phần sử dụng cho phản ứng khử nitrate.