Nitrat là sản phẩm cuối của quá trình oxy hóa amoni, nitrat chưa được xem là bền vững cũng gây độc cho môi trường nên cần được khử thành khí nitơ.
4NO3- + 4H+ + 5Chữu cơ 5CO2 + 2N2 + 2H2O
Để khử nitrat VSV cần có chất khử, chất khử có thể là các chất hữu cơ hoặc các chất vô cơ như (S, Fe2+). Phần lớn VSV nhóm Denitrifier thuộc loại dị dưỡng - chúng sử dụng C hữu cơ để tổng hợp tế bào, ngoài phần sử dụng cho khử nitrat. Song song với quá trình khử nitrat là quá trình tổng hợp tế bào, do đó lượng chất hữu cơ tiêu hao cho cả quá trình lớn hơn nhiều so với lượng chất hữu cơ cần thiết cho khử nitrat.
Quá trình khử nitrat giống như quá trình hô hấp hiếu khí nhưng thay vì sử dụng oxy chúng sử dụng NO2- và NO3- khi môi trường thiếu oxy. Trong hệ khử nitrat bởi VSV, mức độ tiêu hao chất điện tử phụ thuộc vào sự có mặt của chất nhận điện tử (chất oxy hóa) trong hệ: oxy hòa tan, nitrit, nitrat, sunfat.. Mức độ cạnh tranh về phương diện sử dụng chất cho điện tử: O2 > NO3- NO2- > SO42-.
VSV cần N để tổng hợp protein và sử dụng NH3 hơn (sử dụng trực tiếp). Khi NH3 không tồn tại thì 1 vài VK sẽ chuyển hóa nitrat thành amoni.
Cả hợp chất thải vô cơ (H, S...) và hữu cơ đều có thể làm cơ chất cho quá trình khử nitrat. Kết quả của quá trình là chất cho điện tử bị oxy hóa và nitrat thì giảm đi.
Các chất hữu cơ mà nhóm VSV khử nitrat sử dụng: nguồn nước thải, các hóa chất hữu cơ đưa vào, các chất hữu cơ hình thành từ quá trình phân hủy nội sinh.