脫硝反应（英語：denitrification，亦称为脫硝作用、脫氮作用）是指细菌将硝酸盐（NO₃⁻）中的氮（N）通过一系列中间产物（NO₂⁻、NO、N₂O）还原为氮气分子（N₂）的生物化学过程。参与这一过程的细菌统称为脫硝細菌或脫氮細菌。

脫硝化菌在无氧条件下，以将硝酸盐（NO₃⁻）为电子受体（英语：Electron acceptor）完成呼吸作用（respiration）以获得能量。这一过程是硝酸盐呼吸（nitrate respiration）的两种途径之一，另一种途径是另一类是硝酸异化还原成铵盐（Dissimilative reduction of nitrate to ammonia, DRNA）。

总的脫硝过程可以用以下方程式表示：

2 NO₃⁻ + 10 e⁻ + 12 H⁺ → N₂ + 6 H₂O, ΔG⁰ = −333 kJ/mol

其中包括以下四个还原反应：

1. 硝酸盐（NO₃⁻）还原为亚硝酸盐（NO₂⁻）：2 NO₃⁻ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 NO₂⁻ + 2 H₂O
2. 亚硝酸盐（NO₂⁻）还原为一氧化氮（NO）：2 NO₂⁻ + 4 H⁺ + 2 e⁻ → 2 NO + 2 H₂O
3. 一氧化氮（NO）还原为一氧化二氮（N₂O）：2 NO + 2 H⁺ + 2 e⁻ → N₂O + H₂O
4. 一氧化二氮（N₂O）还原为氮气（N₂）：N₂O + 2 H⁺ + 2 e⁻ → N₂ + H₂O

以上四个反应均为放热反应，所以在无氧或缺氧条件下，细菌可以将硝酸盐（NO₃⁻）作为电子传递链（ETC）的最终电子受体（TEA, terminal electron acceptor），来完成物质能量交换。

脫硝菌在自然界以各种形式广泛存在，如：

• Paracoccus denitrificans（自养，氧化氢气H₂）
• Thiobacillus denitrificans（自养，氧化硫化物（S²⁻）或者硫代硫酸盐（S₂O₃²⁻））
• Pseudomonas stutzeri（异养，氧化有机碳）

脫硝菌主要为原核生物，大量存在于在α-, β- 和γ-变形菌纲中。已知的脫硝菌的属有Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium, Bacillus, Chromobacterium, Flavobacterium, Spirillum, Vibrio, Halobacterium, Methanomonas, Pseudomonas等。

尽管已经发现了自營脫硝菌，但上述脫硝过程主要由异營脫硝菌来完成。

脫硝反应在自然界具有重要意义，是氮循环的关键一环，它和無氧氨氧化（Anammox）一起，组成自然界被固定的氮元素重新回到大气中的途径。

在环境保护方面，脫硝化反应和硝化反应一起可以构成不同工艺流程，是生物除氮的主要方法，在全球范围内的污水处理厂中被广泛应用。污水处理中所利用的脫硝菌为异养菌，其生长速度很快，但是需要外部的有机碳源，在实际运行中，有时会添加少量甲醇等有机物以保证反硝化过程顺利进行。

• 氮循环
• 硝化反应
• 无氧呼吸
• 厌氧氨氧化

• Denitrification - an overview（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• What Is Denitrification?（页面存档备份，存于互联网档案馆）