Аммиак, образующийся при аэробном и анаэробном разложении азотсодержащих органических веществ, окисляется двумя высокоспециализированными группами микроорганизмов в азотистую и затем азотную кислоты.
Этот процесс называется нитрификацией. Первыми исследователями, доказавшими его биологическую природу, были Т. Шлезинг и А. Мюнц (1879). На специфичность организмов, вызывающих нитрификацию» указывал Луи Пастер (1880). Однако длительное время их не удавалось выделить в чистую культуру. Лишь в 1890—1892 гг. С. Н. Виноградскому, применившему элективные среды, не содержащие органические вещества, удалось изолировать чистые культуры нитрификаторов. Им было установлено и существование двух групп нитрификатов, одна из которых окисляет аммиак до азотистой кислоты, а другая — азотистую кислоту в азотную. Последовательность в работе — двух или нескольких организмов называется метабиозом.
Нитрифицирующие бактерии входят в семейство Nitrobacteriaceae, имеют ряд общих свойств: все — облигатные аэробы, грамотрицательны, не образуют спор, развиваются при pH 7,5—8,0, оптимальная температура для их роста 25—30° С. Однако различные их роды существенно морфологически отличаются.
Первый этап нитрификации осуществляют бактерии пяти родов: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosovibrio, Nitrosolobus; наиболее изучен род Nitrosomonas. В целях получения энергии для ассимиляции 1,5 г СO2 и построения 1 г микробной плазмы нитрозные бактерии окисляют около 20 г аммиака и образуют 56 г азотистой кислоты; реакция: 2NH3+3O2 = 2HNO2 + 2H2O+158 кал. Окисление аммиака совершается в несколько стадий: на поверхности клетки — до гидроксиламина, далее уже внутри клетки — до гипонитрита и окиси азота.
Микроорганизмы, способные окислять нитриты в нитраты (осуществляющие вторую фазу нитрификации), относятся к родам Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospina. Детально исследован род Nitrobacter. Все его представители имеют клетки грушевидной формы, размножаются почкованием, у дочерней клетки есть жгутик, оптимум развития при pH 7,7. Окисление азотистой кислоты в азотную идет также с выделением энергии: 2HNO2 + O2 -> 2HNO3 + 48 кал. При построении 1 г вновь синтезированного органического вещества микробных тел окисляется 72 г HNO2 и образуется 96 г HNO3. Роль нитрификаторов в образовании нитратов грандиозна.
Воздействие органического вещества на нитрификаторы двояко: в лабораторных условиях даже ничтожные дозы органического вещества полностью подавляют рост и развитие организма, а в естественных условиях — нет. Причины этого различия не вполне ясны.
Наряду с нитрифицирующими автотрофными бактериями Д. У. Катлер и Б. К. Мукерджи (1931) выделили ряд гетеротрофных бактерий, способных окислять NH4+ до NO2, но значительно медленнее и только на первом этапе. В настоящее время установлены микроорганизмы, доводящие нитрификацию до конца, в частности гриб Aspergillus flavus и некоторые виды Atrobacter, нитрифицирующие аммиак.
К гетеротрофным нитрификаторам относят представителей родов: Alcaligenes, Corynebacterium, Achromobacter, Pseudomonas, Nocardia, Bacillus. Многие гетеротрофы могут осуществлять нитрификацию органических азотсодержащих соединений: амидов, аминов, оксидов, гидроксаматов и других, а также образовывать продукты, обладающие канцерогенными, токсичными, мутагенными свойствами. В условиях, неблагоприятных для развития автотрофных нитрифицирующих бактерий нитрификаторы-гетеротрофы, по-видимому, главенствуют в нитрификационном процессе.