微生物作为人工湿地系统中的分解者，主要承担污废水中有机物和含氮污染物的降解任务。微生物的同化作用是污染物降解的主要途径，有机物通过好氧细菌分解为 CO2和 H2O，通过厌氧细菌分解成 CO2和 CH4。铵盐通过硝化细菌转化为 NO3-再由反硝化细菌还原为 N2或 N2O。经过一系列分解转化，污染物一部分被同化为植物、微生物的自身组成，另一部分变为无机物回到自然界。
人工湿地中存在大量的厌氧、好氧和兼性微生物群落，这些微生物附着于填料表面和植物根系表面。研究表明，不同基质层的微生物数量也有显著差异，上层氨化细菌和硝化细菌数量分别是中层的 11.9 和 5.9 倍，而反硝化细菌数量在基质的中下层明显高于上层。
人工湿地并不存在完美的脱氮环境，也存在着一些问题，国内外研究主要集中在：
（1）如何经济高效地增加人工湿地中溶解氧的含量，对于改善人工湿地的脱氮效果有着重要作用。由于人工湿地自身构造的限制，湿地内溶解氧水平普遍较低，抑制了微生物活性和硝化作用的顺利进行，从而制约了人工湿地系统对氮类物质的脱除。
（2）如何获得制备方式简单、可控性高、经济无毒的植物碳源，进而通过外加碳源的方式，提高人工湿地系统对低碳高氮废水中氮的去除。目前城市污水普遍存在低碳高氮的问题，碳源不足影响了反硝化作用的顺利进行，导致人工湿地脱氮效果欠佳。
（3）如何提高人工湿地系统内部硝化细菌的丰度和数量，从而提高湿地系统的脱氮效率。人工湿地对氮的净化主要通过微生物的硝化-反硝化作用，硝化细菌作为硝化作用的主要参与者，其生长速度较为缓慢，代谢周期长，容易受到温度、pH、毒性物质等条件的限制，成为优势菌种较为困难。
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