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反硝化反應是由一群異養型微生物完成的生物化學過程。在缺氧(不存在分子態溶解氧)的條件下，將亞硝酸根和硝酸根還原成氮氣、一氧化氮或氧化二氮。參與反硝化過程的微生物是反硝化菌。反硝化菌屬兼性菌，在自然環境中幾乎無處不在，在廢水處理系統中許多常見的微生物都是反硝化細菌。當有溶解氧存在時，反硝化菌分解有機物利用分子態氧作為終電子受體。在無溶解氧的情況下，反硝化菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N(V)和N(III)作為能量代謝中的電子受體，O2-作為受氫體生成H2O和OH-堿度，有機物作為碳源及電子供體提供能量并被氧化穩定。
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