AOB是一种需氧自养微生物，首先通过膜结合的氨单加氧酶(AMO)将氨氮催化氧化为羟胺(NH₂OH)，而第二步NH₂OH通过羟胺氧化还原酶(HAO)进一步氧化为亚硝酸盐 [6] 。研究发现AOB细菌主要分类于Proteobacteria，β-Proteobacteria纲，例如Nitrosomonas (包括Nitrosococcusmobilis)、Nitrosospira、Nitrosovibrio和Nitrosolobus等。在微生物脱氮过程中，AOB在硝化作用中发挥着极为重要的作用。Dang等人 [7] 研究发现丹江口水库沉积物中，AOB在净硝化作用和潜在硝化作用中均占主导地位，其贡献分别占52.7~78.6%和59.9~88.1%，细菌特异性氨氧化速率的计算表明AOB的特异性氨氧化速率高于其它氨氧化微生物。Cho等人 [8] 在硝化生物反应器富集了Nitrosomonas aestuarii、Nitrosomonas europaea、Nitrosomonas nitrosa等AOB物种，在处理含有高浓度氨的工业废水中实现了稳定高效的硝化作用。Men等人 [9] 使用烯丙基硫脲(ATU)和1-辛炔(OCT)特异性抑制间歇反应器的AOB菌株，发现反应器中微生物氨氧化作用被完全抑制，证明了AOB是氨氧化微生物的主要群体，其在污水硝化过程中贡献了决定性作用。Srithep等人 [10] 运行硝化反应器NRII发现AOB在NRII中的氨氧化过程中起主要作用。此外，在制药废水处理中AOB还能促进了药物的生物转化，增强了对药物的去除，减轻了药物残留对生态系统带来的潜在风险 [11] 。

AOA由于其独特的基因组成具有适应恶劣条件(例如低温、低氧、低含量的电子供体/受体条件等)的能力 [12] ，对污染敏感性较低，在受污染区域的多样性较高 [13] ，在全球氮循环中发挥着极为重要的作用。AOA由于具有合成AMO等酶的基因，从而可以进行氨氧化作用成为了硝化细菌的主要物种之一。自2006年Park等人在污水处理系统中第一次发现了AOA后，大量污水处理系统的AOA被陆续发现 [14] ，例如AOA的主要物种之一Nitrosopumilus maritimus在污水处理厂中得到广泛鉴定并发挥重要脱氮作用 [15] 。Wang等人 [16] 建立序批式膜反应器处理涪陵榨菜废水，在30 g NaCl L⁻¹条件下，COD和TN的去除率均高于86%，该系统中AOA丰度均显着高于AOB，且盐度对AOA的抑制作用小于AOB。值得注意的是，由于AOA难以在实验条件下富集与纯化，其更多研究集中在自然环境中的丰度情况与分布规律等方面。研究报道AOA在农田土壤、河流沉积物和海洋中的丰度显著高于AOB，并且在这些生境中AOA是氨氧化的主要驱动因子 [17] 。Li等人 [18] 发现滨海湿地红树林会影响对AOA的群落结构，AOA在离红树林0 m和10 m附近的表层沉积物中具有较高的多样性和丰富性，并在湿地氮去除中发挥重要作用。

亚硝酸盐对真核生物具有毒性，还能抑制微生物的生长，此外高浓度的亚硝酸盐还会对生态环境造成巨大破坏 [19] 。NOB细菌能催化硝化作用的第二步，即利用亚硝酸盐氧化还原酶(NXR)将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，为大量微生物和植物提供氮源，NOB在氮循环中具有重要的调节功能，是生物地球化学氮循环的关键参与者 [20] 。当前已知的NOB为4门7属：Nitrobacter、Nitrotoga、Nitrococcus、Nitrospira、Nitrospina、Nitrolancea和CandidatusNitromaritima等，然而NOB被认为是专一性自养生物，其生理功能非常有限，很难发现新的生理功能，导致NOB的相关研究进展落后于其它氮循环微生物，但仍有大量研究显示NOB广泛应用于水体脱氮处理中 [20] 。Yao等人 [21] 对10个大型废水处理厂的微生物群落研究发现，硝化细菌占总细菌的1~10%，NOB的平均百分比为4.02%，同时NOB的活性比AOB高，在硝化群落中占主导地位，从而在污水处理中实现了稳定的硝化作用。Harms等人 [22] 发现城市污水处理厂的NOB (Nitrospira)可能比AOB高出3倍以上。

厌氧反硝化细菌由于能合成硝酸盐还原酶(NAR)，亚硝酸盐还原酶(NIR)，一氧化氮还原酶(NOR)或一氧化二氮还原酶(NOS)，在厌氧环境中最终能还原硝酸盐并释放N₂或N₂O。Pseudomonas stutzeri、Pseudomonas aeruginosa、Paracoccusdenitrificans、Ralstoniaeutropha和Rhodobactersphaeroides等大量微生物被研究鉴定为厌氧反硝化细菌 [23] 。此外，一些真菌(例如Fusarium sp.、Tritirachium sp.、Byssochlamys sp.、Paecilomyces sp.等)同样具有厌氧反硝化能力 [24] 。但是值得注意的是，许多反硝化细菌具有自养反硝化能力，Su等人 [25] 研究发现Acinetobacter sp. SZ28能以Mn²⁺作为电子供体，具有自养厌氧反硝化性能，并且其最终反硝化产物主要为N₂。Su等人 [26] 分离出的一种新型自养细菌Pseudomonas sp. SZF15，为依赖性Fe²⁺氧化厌氧反硝化菌，该菌株在厌氧条件下72 h内能完全还原80.86%的NO₃⁻-N和氧化75.53%的Fe²⁺。

好氧反硝化细菌在自然界中分布广泛，例如污泥、废水和废水处理系统、土壤、湖泊、海洋沉积物等均分离并鉴定出了好养反硝化菌。好氧反硝化细菌具有NirK、NirS等反硝化基因，同样可以合成、利用NAR、NIR、NOR、NOS等脱氮酶进行好氧脱氮，将硝酸盐逐步转化形成N₂。周质硝酸还原酶(Nap)介导硝酸盐的催化，是好氧反硝化作用所必需的脱氮酶，其编码基因NapA功能基因已被用作生物标志物，用于评估硝酸盐还原功能微生物群落的多样性。高活性的Nap有助于反硝化菌在有氧条件下优先使用硝酸盐接受来自有机物的电子进行反硝化 [27] 。

自从1984年Robertson等人 [28] 首次纯化分离得到第一株好氧反硝化菌Thiosphaera pantotropha后，其他好氧反硝化细菌(Pseudomonas、Alcaligenes、Paracoccus和Bacillus等)也陆续被发现 [29] 。Jun等人 [30] 分离出了新型好氧反硝化菌Pseudomonas sp. JN5，其硝酸盐去除效率为4.32 mg/L/h，该菌株提高了发酵罐–填料床反应器(fermenter-packed bed reactor)组合系统中硝酸盐去除率。Guo等人 [31] 从活性污泥中分离出了新型好氧反硝化菌Enterobacter cloacae strain HNR，研究表明除去的硝酸盐中有70.8%生成了气体产物N₂，并且有20.7%转化为生物质。Wan等人 [29] 分离出的好氧反硝化菌Pseudomonas sp. yy7能利用亚硝酸盐作为氮源进行高效好氧反硝化作用。一些其它好氧反硝化细菌如：气单胞菌属(Aeromonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、肠杆菌属(Enterobacter)等具有耐盐能力强，生长速度快，反硝化速率快等优点 [32] ，在污水脱氮领域具有极大的开发与应用潜力。