奥地利化学家Broda 早在 1977 年根据化学反应的自由能和热力学的计算， 预测自然界中存在能以 NO2-为电子受体进行氨氧化反应的微生物，并在国际上发表了题为《自然界中两种遗失的两种矿质营养菌》一文，但研究者们在相当长的一段时间内一直未发现这种化能营养型细菌。

1995 年，荷兰 Delft 技术大学 Kluyver 实验室的 Mulder 等人在试验中发现，反硝化流化床反应器中出现 NH4+随 NO3-的减少而减少的现象，且呈一定比例，同时伴有一定气体产生，其将该过程命名为厌氧氨氧化。随后 van de Graaf 等人通过试验证明 anammox 反应是一个生物过程，并通过 15N 和 14N 同位素标记 NH4+和 NO2-中的 N，结果表明终产物主要是 14-15N2，仅有 1.7%的15-15N2，其结果与 Mulder 等人提出的以 NO3-为电子受体的反应式化学计量比不符合，故提出了 NO2-是 anammox 过程关键的电子受体。至此，厌氧氨氧化作为一种新型的生物脱氮反应，走入人们的视野。

早期，Van de Graaf 等用同位素标记技术提出了如下图所示的厌氧氨氧化反应代谢模型。在该模型中，羟胺（NH2OH）最有可能作为 anammox 过程中的电子受体，NO2-N 首先被还原产生 NH2OH，然后 anammox 细菌以NH2OH 作为电子受体将 NH4+-N 氧化为联氨(N2H4)，N2H4 进一步被还原成 N2，同时产生 2H+。然而，Strous 等在 Kuenenia. stuttgartiensis 的基因组中，未发现催化 NO2-N 还原为 NH2OH 的酶基因存在，却发现有编码 cd1 型 NO2-还原酶（NirS）的基因，这种酶催化 NO2-还原为一氧化氮（NO），从而说明 NO而非 NH2OH 是厌氧氨氧化的代谢中间产物。

Strous 等根据 anammox 细菌的基因组学和一些生理实验结果对反应模型进行了修正。其认为 NO2-在含有细胞色素 c 和 d1 的 NirS 作用下被还原为NO，然后联氨合成酶催化 NO 和 NH4+ 缩合生成 N2H4，最终 N2H4 在联氨脱氢酶的作用下转化为 N2。在 N2H4 氧化成 N2 的过程中，可产生 4 个电子，其分别通过细胞色素 c、泛醌（辅酶 Q）、细胞色素 bc1 复合体（复合体Ⅲ））、以及其他细胞色素 c 传递给 NirS 和联氨水解酶，其中 1 个电子传递给 NO2-还原酶，3个电子传递给联氨水解酶。伴随电子传递，质子被排放至厌氧氨氧化体膜外侧， 在该膜两侧形成质子梯度，驱动 ADP 与 Pi 合成 ATP。Kartal 等在 2011 年验证了该代谢模型。