地下水中重要的微生物主要有三种类型：细菌、真菌和藻类。除光合细菌外，细菌和真菌可以归入还原者一类微生物，它们能把复杂的化合物分解成比较简单的物质，并从中提取能量，供其繁衍和代谢之需要。藻类能够利用阳光，把光能转变为化学能储存起来，因此，藻类被归入为生产者一类微生物。不过，在无阳光条件下，藻类只能利用化学能来满足其代谢之需要。
微生物既能在潜水中繁殖，也可在深循环的地下水（深达1000 m或更深）中繁衍。微生物所适应的温度范围也很宽，可在零下几度到零上85～90℃的温度范围内生存。地下水的矿化度一般对微生物的繁殖影响不明显，但矿化度过高会抑制微生物的活动能力。
细菌、真菌和藻类被称为活的催化剂，由于微生物的催化作用，使得水和土壤中的大量化学过程得以进行。水中发生的重要化学反应，尤其是那些含有有机物和氧化还原过程的反应，大多数是通过细菌的催化作用才赖以完成的。微生物在地下水化学成分的形成和演变过程中起着重要的作用，在地下水中有各种不同的细菌存在，其中有适于在氧化环境中生存和繁殖的硝化菌、硫细菌、铁细菌等喜氧细菌，也有适于在还原环境中生存和繁殖的脱氮菌、脱硫菌、甲烷生成菌、氨生成菌等。由于这些细菌的生命活动，可出现脱硝酸作用、脱硫酸作用、甲烷生成作用和氨生成作用等，也可出现与此相反的作用，如硫酸根生成作用、硝酸根生成作用和铁的氧化作用等，从而导致地下水化学成分的相应变化。
1.2.5.1 碳的微生物转化
（1）碳的微生物催化转化与能源：在泥煤、褐煤、煤炭、油页岩和石油的形成过程中，微生物对于有机物的部分降解有着重要的作用，这是一个关键性的步骤。在还原性条件下，尤其是深水沉积物中，细菌的作用有助于降低原始植物材料中氧的含量，致使残存物质中碳的相对含量得以提高。
（2）细菌作用与甲烷的形成：甲烷生产过程与大量有机物的降解紧密相关，在释入大气的甲烷中，其中80%产生于有机物的缺氧分解过程。这对局部和全球性碳循环有着关键性的影响。在生物废水处理厂中，甲烷生产用来进一步降解由活性污泥流程中排出的大量污泥。在天然水的底部，产甲烷细菌在缺氧条件下能降解有机物，按这样方式分解有机物毋须氧气，否则，降解有机物是离不开氧的。如果把这些有机物转移到含溶解氧的水中，势必会提高生物化学需氧量（BOD），可见，产甲烷过程是去除BOD的一个非常有效的途径。
（3）细菌对碳氢化合物的利用：有氧存在时，甲烷可被一些细菌氧化，有一种名为甲烷单毛杆菌，它专门以甲烷作能源，除此以外，别无选择。某些细菌能降解比较高级的碳氢化合物，并把其用作碳源和能源，碳氢化合物的微生物降解是一个重要的环境保护方法，水和土壤中的石油污染可用此法净化。据统计，每年因溢漏而损失的石油约有5×106 t，这不仅在经济上造成巨大损失，同时也给环境带来严重污染。石油的微生物降解在漏油的清除中具有重要作用。
（4）细菌对一氧化碳的利用：已有充分的证据表明，土壤微生物对环境中的一氧化碳有净化功能。实验证实，空气与土壤接触后，其中的一氧化碳可有效地被去除。把含有120×10-6一氧化碳的空气与2.8 kg土壤接触3小时，空气中的CO几乎被完全除尽。耐人寻味的是，无论是经过菌处理过的土壤还是在无菌条件下培植的绿色植物，均不具净化空气中CO的功能。
1.2.5.2 细菌对氮的转化作用
自然界中各类氮的生物-化学转变过程揭示了氮在大气、有机物和无机物之间相互交换的氮循环过程。毫无疑问，氮循环是环境中最具活力的动态过程之一。
在水和土壤介质中，以微生物为催化剂的重要化学反应，几乎都与含氮化合物有关。氮的化学转换反应很多，其中包括把分子氮以有机氮形式固定下来的固氮作用；把氮氧化为硝酸根的硝酸化作用；把硝酸根还原为低氧化态氮的亚硝酸根还原过程以及把硝酸根和亚硝酸根还原成分子氮，排入大气的脱氮作用等。
1.2.5.3 硫的微生物转化
硫化物在水中普遍存在，几乎所有天然水体中均含不同浓度的硫酸根离子。无论是天然的，还是人为污染造成的，天然水中有机硫化物也随处可见。有机硫化物的生物降解同样是一个重要的过程。有时候，其降解产物，例如有毒的恶臭物质硫化氢，对水质造成严重的影响。
1.2.5.4 微生物对农药的降解
化学农药的施用对于消灭病虫草害，确保农林牧业丰产和丰收意义重大。然而，化学农药残毒对环境的影响也是一个棘手的环境问题。微生物对环境中农药的降解作用受到人们极大的重视。
1.2.5.5 微生物的其他催化作用
（1）微生物对硒的转化作用：硒是人体的必需微量元素，它对生命物质的作用越来越受到人们的重视。硒在元素周期表中位于硫之下，在微生物催化作用下可能发生氧化还原作用，从而对环境中硒的循环产生重要的影响。
（2）微生物对金属腐蚀的催化作用：金属腐蚀的本质是一种氧化还原过程，实际上，很多腐蚀现象的发生与细菌的参与不无关系。
应当指出，到目前为止，对地下水中微生物的成分和分布以及它们的生命活动机制研究得尚不成熟。但微生物在地下水化学成分形成和演变过程中所起的重要作用已越来越多地被人们所认识。
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