在缺氧条件下，由于兼性脱氮菌(反硝化菌)的作用，将NO2--N和NO3--N还原成N2的过程，称为反硝化。反硝化菌为异养型微生物，在缺氧状态时，反硝化菌利用硝酸盐中的氧作为电子受体，以有机物作为电子供体提供能量并被氧化稳定。

反硝化反应方程式为：

NO2-+3H(电子供给体-有机物) → 0.5 N2+H2O+OH-

NO3-+5H(电子供给体-有机物) → 0.5 N2+2H2O+OH-