Nitrifiserende bakterier er kjemoautotrofe dvs. de får energi ved å oksidere uorganiske stoffer som brukes til å omdanne karbondioksid til organisk karbon. Begge bakteriegruppene kalles også litotrofe fordi de får energi ved å oksidere uorganiske forbindelser.
Nitrifikasjon er en aerob prosess viktig for nitrogensyklus i jorda. De vanligste uorganiske nitrogenforbindelsene som kan brukes som elektronkilde hos bakterier er ammonium og nitritt. De autotrofe arkebakteriene som utfører nitrifikasjon trives best i godt gjennomluftet varm moldjord med høy pH og liten grad av utvasking (brunjord). Bakteriene får navn etter om de oksiderer ammonium (NH4+ ) til nitritt (NO2- ) (Nitroso-) eller nitritt (NO2-) til nitrat (NO3- ) (Nitro-).
Første trinnet i oksidasjonen av NH4+ katalyseres av enzymet ammonium monooksygenase:
NH4+ + 2H+ + 2e- ⇒ NH2OH + H2O
Hydroksylamin (NH2OH) er et sterkt oksidasjonsmiddel (E´= +0.9V for redoks paret NH4+/NH2OH).
Hydroksylamin oksideres videre til nitritt av enzymet hydroksylamin oksidoreduktase
NH2OH + H2O ⇒ HNO2 + 4e- + 4H+
Nitrittoksiderende bakterier har enzymet nitritt dehydrogenase:
HNO2 + H2O ⇒ HNO3 + 2 H+
Oksidasjonstrinnene for de forskjellige nitrogenformene er angitt i parentes
NH4+ (-3) → NH2OH (-1) → NOH (+1) → NO2- (+3) → NO3- (+5)
I Nitrobacter fraktes elektroner fra nitritt til oksygen via elektrontransportkjeden og brukes til å lage ATP. Redokspotensialet for nitritt/nitrat-paret er +0.42 V slik at den fri energiforandringen ved å overføre elektroner til oksygen blir liten og derfor vokser bakteriene også sakte. Nitrifiserende bakterier finnes både i vann og jord, spesielt der det er mye ammonium. Oksygen er nødvendig for oksidasjon av ammonium og derfor vil ammonium hope seg opp i anaerobe miljøer. Nitrifikasjon gir en forsuring av miljøet ved at det dannes salpetersyre, på analogt vis som det lages svovelsyre av svoveloksiderende bakterier. Nitrifikasjon blir brukt i renseanlegg, etterfulgt av denitrifikasjon.
Anaerob ammoniumoksidasjon (anammoks)
Ammonium (NH4+) kan oksideres uten at oksygen er tilstede (anaerobt) i en nitrittavhengig prosess kalt anammoks (anoksisk ammoniumoksidasjon), som omdanner ammonium og nitritt (NO2-) til dinitrogen (N2). Mer enn halvparten av omdanningen av all ammonium (NH4+) eller ammoniakk (NH3) til nitrogen i nitrogensyklus skjer via anammoks (forkortelse for anaerob ammoniumoksidasjon).
NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O