硝化作用的效率取决于系统中硝化细菌之数量及其生长速率。在自营性硝化反应（autotrophic nitri-fication）中，氨或亚硝酸盐可提供能量来源，因为两者透过生物氧化程序均可产生相当多之能量。利用这些能量的一部份，硝化细菌可用于繁殖，以增加它的数量。

利用CO2合成有机物进而构成繁殖的基质是自营性细菌的本能，已知细菌细胞之分子式大致可表示为C5H7O2N3，基于此，硝化细菌利用CO2合成细菌繁殖基在各阶段的化学反应如下：

1.氨氧化阶段（ammonia-Oxidation stage）：
　　15CO2＋13NH3→10NO2－＋3C5H7O2N＋10H＋＋4H2O

2.亚硝酸盐氧化阶段（nitrite-Oxidation stage）：
　　5CO2＋NH3＋10NO2－＋2H2O→10NO3－＋C5H7O2N

根据上述反应，1公斤氨气之自营性硝化反应，在第一阶段中约可产生150克的生物质（biomass），在第二阶段中约可产生20克的生物质，二者之数值皆以干重（dry-weight）为基准。由此可知亚硝酸菌繁殖的速率比硝酸菌快很多（约为7.5倍），因此亚硝酸化作用之效率应高于硝酸化作用，换言之，在养殖池中有NO2－累积应属正常之现象。

硝化细菌用于生长及繁殖所需的CO2主要是由异营性细菌消费有机物之氧化反应中提供，因此在养殖池中通常均有稳定的CO2来源才使硝化细菌的生长及繁殖不致受到限制。可是也有一些养殖池对有机污染的防治作得相当成功，以致异性反应程序伴随发生之CO2比较少，而形成硝化细菌与藻类竞争CO2资源的局面。在这种情况下，CO2极可能成为硝化细菌生长与繁殖的限制因子。此时必须另外补充无机碳源才能消除CO2对硝化细菌的限制，通常的作法是在养殖池中加入可溶性碳酸盐（canbonate）或重碳酸盐（bicarbonate），而且也可以顺便补正由于硝化反应所导致的pH值降低。

硝化细菌必须栖息于固体表面才能进行硝化作用与生殖作用，但在养殖池中许多固体表面（如池底表面）均被腐生异营性细菌所盘据，使可供硝化细菌居住的空间相对减少，这当然也会影响硝化作用的效率，原因是缺少合适的栖息环境，硝化细菌之数量是很难增加的。有鉴及此，我们可以透过殖工程之规划与设计，为硝化细菌布置一个「家」。

一般生物硝化程序（biological nitrification processes）所使用的各种生物反应器就是硝化细菌共同居住的「大小区」，里内可供养许多的硝化细菌。我们可利用养殖污水来喂养它们，并提供合适于它们生存的条件，使它们能在生物反应器中定居下来，不断地为我们消除养殖污水中氨及亚硝酸盐。如此一来，养殖用水就可以一再循环使用，因此可减少换水的频率，对水资源的合理运用也提供了莫大的帮助。

大家，我必须解释一下。
上面那个化学式有一些问题，大家不要误解，硝化细菌并非是依靠二氧化碳来氧化氨氮和亚硝酸的，而是用氧气的。上面的化学式是个总式，由于硝化细菌是化能自养细菌，他们将氧化氨氮和亚硝酸得到的能量储存起来，然后使用这些能量将二氧化碳合成为自身的细胞物质（葡萄糖），同时放出氧气（这个过程类似于绿色植物的光合作用，只不过能量不来源于光线，而是依靠氧化氨氮来获得），因此在化学总式中氧气看似不参与反应。其实氧气是必须参与反应的物质，氧气的高浓度推动化学反应的快速进行。
但大家必须注意，二氧化碳也是硝化细菌必须的，这一点同样不容忽视。