硝化作用是指异养微生物进行氨化作用产生的氨，被硝化细菌、亚硝化细菌氧化成亚硝酸，再氧化成硝酸的过程。 反硝化作用即硝酸还原作用。
硝化作用，是指氨基酸脱下的氨，在有氧的条件下，经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸的过程。氨转化为硝酸的氧化必须有氧气参与。通常发生在通气良好的土壤、厩肥、堆肥和活性污泥中。硝化细菌从铵或亚硝酸的氧化过程中获得能量用以固定二氧化碳，但它们利用能量的效率很低，因此它们在同化二氧化碳时，需要氧化大量的无机氮化合物。
反硝化作用，是指在厌氧条件下，微生物将硝酸盐及亚硝酸盐还原为气态氮化物和氮气的过程，是活性氮以氮气形式返回大气的主要生物过程。反硝化作用不仅在土壤中进行，还可在江河湖泊和海洋中进行。发生反硝化作用的条件是：反硝化微生物；合适的电子供体，如有机碳化物、还原态硫化物；厌氧条件；氮的氧化物。
土壤中已知能进行反硝化作用的微生物种类有24个属性。绝大多数反硝化细菌是异养型细菌，亦有少数自养型细菌如反硝化硫杆菌。
作用影响：
硝化作用所产生的硝酸盐，因其自身的负电性而不容易被固定在正离子交换点（主要是腐殖质）多于负离子的土壤中。尤其是在土壤大量施用铵态化学肥料（如硫铵和硝铵）以后，所产生的大量硝酸根和相当数量的亚硝酸根在强降雨后或过量灌溉后，移动到地下水的情况经常会发生。地下水中硝酸盐含量的提高关系到饮用水的安全。
硝酸根和亚硝酸根还极易转化为亚硝胺，它已被证明是一种致癌、致畸、甚至导致胎儿死亡的有害物质。如果过量硝酸盐通过径流或地下水进入地表水，会导致水体的富营养化，使得蓝藻菌和其它藻类大量繁殖，导致水生生物因缺氧而大量死亡。虽然不像铵一样对鱼类有毒，硝酸盐可通过富营养作用间接影响鱼类的生存。
氮素已经导致了一些水体的富营养化问题。从2006年起，在英国和美国使用氮肥将受到更严厉的限制。这些措施被普遍认为是为了治理恢复被富营养化的水体而采取的。硝化细菌绝大部分属于自养性细菌，包括两种完全不同的代谢群：亚硝酸菌属及硝酸菌属，它们包括形态互异的杆菌、球菌和螺旋菌。亚硝化菌包括亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属、亚硝化螺菌属和亚硝化叶菌属中的细菌。
硝化菌包括硝化杆菌属、硝化球菌属和硝化囊菌属中的细菌。两类菌均为专性好气菌，在氧化过程中均以氧作为最终电子受体。大多数为专性化能自养型，不能在有机培养基上生长。脱氮作用也称反硝化作用。反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮或一氧化二氮的过程。
微生物和植物吸收利用硝酸盐有两种完全不同的用途，一是利用其中的氮作为氮源，称为同化性硝酸还原作用。许多细菌、放线菌和霉菌能利用硝酸盐做为氮素营养。