根据氮素的转化途径，反硝化作用可以分为同化（合成）反硝化和异化（代谢）反硝化两种。同化反硝化是指反硝化菌利用有机碳作为能源物质与电子供体，将NO_X-N还原成NH₃-N，以用来合成新的细胞成分。异化反硝化是指反硝化细菌在缺氧条件下将硝态氮、亚硝态氮还原为氮气、氧化亚氮或一氧化氮的过程，其中氮气是主要成分，所以通常把能够还原硝态氮或亚硝态氮并产生氧化亚氮或氮气的细菌称为反硝化细菌。此类细菌完成的同化或者异化反硝化都可以被视为脱氮的方式，其中异化反硝化作用占据主导，约70%-75%的氮都是通过异化反硝化的方式去除的。

同化反硝化：

NO₃^- → NO₂^- →NH₂OH →含氮有机物

异化反硝化：

NO₂^- +3H(电子供体-有机物) →0.5N₂↑+H₂O+OH^-

NO₃^- +5H(电子供体-有机物) →0.5N₂↑+2H₂O+OH^-

图1：传统反硝化菌理论四步电子理论的差异

图中1、2、3、4分别对应反硝化过程的4个步骤。

异化反硝化作用分为4个步骤，并分别由不同的酶催化（图1）。1、硝酸盐还原酶（Nar）催化硝酸盐还原为亚硝酸盐，这种酶是一种结合在膜上的钼-铁-硫蛋白，其活性受O₂浓度的抑制；2、亚硝酸盐还原酶(Nir)催化亚硝酸盐还原为NO，它存在于细胞周质中，有含铜（NirK）和含细胞色素C(NirS)两种形式，受O₂的抑制，但受硝酸盐诱导；3、NO还原酶(Nor)催化NO转化为N₂O，此酶结合在膜上，其合成受氧抑制，但受各种氮氧化物的诱导；4、N₂O还原酶(Nos)将N₂O转化为N₂，它含铜周质蛋白，对pH的变化敏感，且强烈受O₂的抑制。