Nitrifikasyon bakterileri, doğadaki azot dengesini sağlamada önemli bir rol oynarlar. Bu bakteriler, karbon kaynağı olarak karbondioksiti, enerji kaynağı olarak ise amonyak ve nitrit gibi indirgenmiş inorganik azot kaynaklarını kullanırlar. Çevre mühendisliği teknolojisi kapsamında, bilimsel yöntemlerle pis su arıtma teknolojisinin temel unsurlarıdır.

Doğadaki azot döngüsü, azotun karbon, hidrojen ve oksijen gibi canlıların yaşamı için vazgeçilmez elementlerden biri olmasından kaynaklanır. Azot, canlıların yapı taşları olan nükleik asitler ve proteinlerin yapısında bulunur. Organizmalar azot açısından zengin (%79) bir atmosferde yaşarlar. Ancak, atmosferde bulunan CO2'nin aksine, azot çok az organizma tarafından gaz haliyle alınarak kullanılabilir. Karbonun aksine, ekosistemlerdeki canlıların kullanabilmesi için öncelikle atmosferik azot gazının inorganik formda fikse edilmesi gerekmektedir. Azot gazının farklı biçimlerde bağlanarak kullanılabilir bileşikler haline dönüştürülmesi olayına fiksasyon denir. Fiksasyon sonucu elde edilen inorganik form genelde amonyak ve nitrattır.

Dünyadaki azot fiksasyonu, bazı canlılar aracılığıyla (Rhizobium, Azotobacter, Oscillatoria, Anabeana) biyolojik süreçlerle gerçekleşebildiği gibi, fizikokimyasal (şimşek, yıldırım gibi etkenlerle azotun nitrata dönüşümü) ve endüstriyel süreçlerle de gerçekleşir. Yapılan hesaplamalara göre yıllık azot fiksasyonunun en büyük kısmını biyolojik fiksasyon oluşturur. Gübre yapımı ile yapılan suni fiksasyon, biyolojik fiksasyonun tahmini yarısı; şimşek, yıldırım ve volkanik aktiviteler gibi fizikokimyasal yolla meydana gelen fiksasyon ise tahmini 1/8'i kadardır.

Biyolojik fiksasyon yapan Rhizobium cinsi bakteriler, bazı baklagillerin köklerinde simbiyotik olarak yaşarlar. Sucul ekosistemlerdeki biyolojik azot fiksasyonunun önemli bir kısmı Anabeana ve Oscillatoria cinsi mavi-yeşil algler tarafından gerçekleştirilir. Toprakta Azotobacter ve Clostridium türü bakteriler de önemli oranda biyolojik fiksasyon yaparlar.

Azot döngüsünün anlaşılması için bazı süreçlerin bilinmesi gerekmektedir.

Toprakta bulunan protein ve nükleik asit içeren organik artıklar, topraktaki ayrıştırıcı grup saprofit bakteri ve mantarlar tarafından parçalanarak amonyağa (NH3) dönüştürülür. Bu olaya amonifikasyon denir. Bu esnada enerji elde ederler ve bu enerjiyi biyolojik aktivitelerinde kullanırlar.

Nitrifikasyon, amonyak (NH3) ya da amonyumun (NH4+) öncelikle nitrite (NO2-), ardından da nitritten nitrata (NO3-) dönüşüm sürecidir. Bu süreçlerden ilk aşama Nitrosomonas, ikinci aşama ise Nitrobacter tarafından gerçekleştirilir. Bu iki bakteriye kemosentetik bakteriler denir. Bu süreçlerde elde ettikleri enerji ile besin üretirler.

Denitrifikasyon, nitrifikasyonun tersi olan süreçlerle azotun gaz biçimine dönüştürülmesidir. Pseudomonas cinsi bakteriler ve bazı mantarlar tarafından gerçekleştirilen bir süreçtir. Bu süreç sonunda azot gaz halinde tekrar atmosfere döner. Denitrifikasyon, nitrat iyonlarının çevresindeki oksijenin ayrılması olayıdır.

Nitrifikasyon bakterilerinin etkinliği, tarımda ve ekosistem yönetiminde büyük öneme sahiptir. Tarımsal faaliyetlerde, topraktaki azot dengesinin korunması bitki verimliliği açısından kritik bir faktördür. Ayrıca, su ekosistemlerinde azotun aşırı birikimi, ötrofikasyon adı verilen ve su kalitesini düşüren bir soruna yol açabilir. Bu nedenle, nitrifikasyon ve denitrifikasyon süreçlerinin anlaşılması ve yönetimi, hem doğal hem de insan yapımı ekosistemlerin sürdürülebilirliği için gereklidir.