化能合成:
自然界中存在某些微生物,它们能以二氧化碳为主要碳源,以无机含氮化合物为氮源,合成细胞物质,并通过氧化外界无机物获得生长所需要的能量.这些微生物进行的营养方式称为化能合成作用.例如硝化细菌、硫细菌、铁细菌、氢细菌等.这些微生物的活动,对维持地球上物质循环的平衡以及对净化环境具有重要作用.例如,土壤中硝化细菌的活动,可提高土壤肥力,增加植物可利用的氮素营养.利用硫细菌可降低土壤pH值,提高土壤矿质盐的可溶性,从而改善作物的矿质营养.利用某些自养微生物的化能合成作用,可在贫矿尾矿中进行细菌浸矿.还可利用氢细菌进行单细胞蛋白生产,其最大优点在于原料取之不尽.但某些菌亦可造成对人类的危害,例如对金属的腐蚀等.
硝化作用
硝化细菌将氨氧化为硝酸的过程.
其作用过程如下：
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,亚硝酸菌只利用自由能的5～14％； 硝酸细菌也只利用自由能的5～10％.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.
土壤中硝化细菌的数量首先受铵盐含量的影响,一般耕地里,每克土中只有几千至几万个.添加铵盐即可使其数量增至几千万个.土壤中性偏碱,通气良好,水分为田间持水量的50～70％,温度为10～30℃时,最适宜硝化细菌的生长繁殖,铵盐也能迅速被转化为硝酸盐.
自然界中,除自养硝化细菌外,还有些异养细菌、真菌和放线菌能将铵盐氧化成亚硝酸和硝酸,异养微生物对铵的氧化效率远不如自养细菌高,但其耐酸,并对不良环境的抵抗能力较强,所以在自然界的硝化作用过程中,也起着一定的作用.
反硝化作用
也称脱氮作用.反硝化细菌在缺氧条件下,还原硝酸盐,释放出分子态氮（N2）或一氧化二氮（N2O）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：NO3-→NH4+→有机态氮.许多细菌、放线菌和霉菌能利用硝酸盐做为氮素营养.另一用途是利用NO2-和NO3-为呼吸作用的最终电子受体,把硝酸还原成氮（N2）,称为反硝化作用或脱氮作用：NO3-→NO2-→N2↑.能进行反硝化作用的只有少数细菌,这个生理群称为反硝化菌.大部分反硝化细菌是异养菌,例如脱氮小球菌、反硝化假单胞菌等,它们以有机物为氮源和能源,进行无氧呼吸,其生化过程可用下式表示：
C6H12O6+12NO3-→6H2O+6CO2+12NO2-+能量
CH3COOH+8NO3-→6H2O+10CO2+4N2+8OH-+能量
少数反硝化细菌为自养菌,如脱氮硫杆菌,它们氧化硫或硝酸盐获得能量,同化二氧化碳,以硝酸盐为呼吸作用的最终电子受体.可进行以下反应：
5S+6KNO3+2H2O→3N2+K2SO4+4KHSO4
反硝化作用使硝酸盐还原成氮气,从而降低了土壤中氮素营养的含量,对农业生产不利.农业上常进行中耕松土,以防止反硝化作用.反硝化作用是氮素循环中不可缺少的环节,可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-减少,消除因硝酸积累对生物的毒害作用.