19世纪末，俄国科学家S.N.维诺格拉茨基^[注]最早发现硝化反应由微生物参与完成，首次分离培养出第一株化能自养的氨氧化细菌——欧洲亚硝化单胞菌（Nitrosomonas europaea），并在随后培养出一株硝化杆菌（Nitrobacte），证实了硝化作用是生物过程。此后的100多年，人们一直认为硝化作用包括氨氧化为亚硝酸盐和亚硝酸进一步被氧化为硝酸盐两个过程，分别由氨氧化细菌^[注]和亚硝酸氧化细菌^[注]催化进行。2004年以来，科学家发现古菌基因组中也存在催化氨氧化作用的氨单加氧酶编码基因，并获得了纯培养的氨氧化古菌^[注]，证实了古菌也具有氨氧化能力，并发现在很多生态系统中氨氧化古菌丰度更高，比氨氧化细菌更为活跃。2015年，《自然》杂志同期分别刊登了荷兰和奥地利科学家的研究结果，他们发现硝化螺菌（Nitrospira）同时具有将氨直接氧化为硝酸盐的能力，即一种微生物能执行两步硝化反应的功能，并命名为全程氨氧化微生物（comammoxNitrospira）。

根据代谢类型不同，硝化微生物可分为化能自养型和化能异养型。自养型硝化微生物以二氧化碳、碳酸或重碳酸等无机碳为碳源，通过氧化氨或亚硝酸获得能量，包括分步完成氨氧化和亚硝酸氧化过程的氨氧化细菌、氨氧化古菌、亚硝酸氧化细菌，以及一步完成硝化过程的全程氨氧化微生物。氨氧化细菌系统发育比较单一，它们均归属于变形菌纲（Proteobacteria）的ß亚纲和γ亚纲。ß亚纲中的氨氧化细菌包括亚硝化单胞菌群和亚硝化螺菌群。亚硝化单胞菌群主要包含亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），并被分为多个系统发育普系（lineage），主要分布于海洋和含氮较高的污水等环境。亚硝化螺菌群主要分布于土壤和淡水环境，包括亚硝化螺菌属（Nitrosospira）、亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio）和亚硝化叶菌属（Nitrosolobus）。γ亚纲的氨氧化细菌至2022年仅发现一个属，即亚硝化球菌属（Nitrosococcus），主要分布于海洋环境和盐碱性土壤。氨氧化古菌归属于古菌域奇古菌门（Thaumarchaeota）亚硝基菌纲（Nitrososphaeria）的四个目，包括亚硝化侏儒菌目（Nitrosopumilales）、Nitrososphaerales、嗜酸性氨氧化古菌（Candidatus Nitrosotaleales）、亚硝化暖菌目（Candidatus Nitrosocaldales）；也有资料命名为GroupI.1a（MG-I）、GroupI.1b（SCG）、GroupI.1a-associated（SAGMCG-I）和ThAOA（HWCG III）。以亚硝化侏儒菌目和Nitrososphaerales分布最为广泛，其中亚硝化侏儒菌目主要分布于海洋环境，Nitrososphaerales在海洋、土壤和湿地环境中均有广泛分布。

土壤中分布的亚硝酸盐氧化菌主要归属于硝化螺菌门（Nitrospirae）中的硝化螺菌属和变形菌纲中的硝化杆菌属、硝化球菌属、Candidatus Nitroga属。其中，来自硝化螺菌门的硝化螺菌属多样性最高，至少含有NitrospiraLineageⅠ、Nitrospira LineageⅡ、Nitrospira LineageⅢ、Nitrospira LineageⅣ、Nitrospira LineageⅤ、Nitrospira LineageⅥ六个系统发育谱系。全程氨氧化微生物主要归属于NitrospiraLineageⅡ，在土壤和水生生态系统中广泛分布，根据氨单加氧酶编码基因（amoA）的相似性将全程氨氧化微生物分为clade A和 clade B两大分支。

除以上自养硝化微生物外，土壤中的一些异养型的真菌、细菌和放线菌可以有机碳为碳源和能源，将还原态氮（包括有机氮）转化为亚硝态氮和硝态氮，改微生物被称为异养硝化微生物。异养硝化微生物的作用机制仍不清楚，同时由于分析技术限制，异养硝化微生物及其参与的过程一直被忽视。随着15-氮同位素标记技术的发展，发现异养硝化过程广泛存在于林地、草地和农田土壤等生境，在某些环境如有机质含量高的酸性土壤中，真菌主导的异养硝化作用甚至超过自养硝化作用。

不同的硝化微生物类群具有明显不同的生态生理学特征，因而具有不同的生态位，受土壤pH、含氮底物浓度等调控。氨氧化古菌具有不同的碳氮代谢途径和遗传特征，与氨氧化细菌相比，其在较极端的如强酸性、低氮或缺氧的环境条件下活性更高。全程氨氧化微生物比大多数可培养的氨氧化细菌及氨氧化古菌对氨具有更高的亲和力，能够更好地适应极低氨浓度环境。异养硝化微生物的氧化能力虽不如自养硝化微生物，但土壤中异养菌数量众多，在某些环境中异养硝化微生物产生氧化亚氮的能力可能远高于自养硝化微生物。酸性环境下自养硝化微生物常被抑制，异养硝化微生物（以真菌为主）起着更重要的作用。

硝化微生物广泛存在于陆地生态系统、水生生态系统（海洋和淡水）及工程生态系统如生物反应器等中，其所驱动的硝化作用过程是氮元素生物地球化学循环的关键环节，不仅与作物氮素吸收有关，还与土壤酸化、温室气体产生、硝酸盐淋溶损失和水体污染等环境问题密切相关，在全球生态系统氮循环过程中发挥着重要作用。此外，自养硝化微生物由于具有氨单加氧酶编码基因和亚硝酸盐氧化酶基因（如nxrB）等，可作为其特定的分子标记物，常被作为土壤生态学研究的模式微生物，用作土壤环境质量变化和全球气候变化的指示生物。