В воде открытых водоемов и водотоков содержится значительное количество питательных веществ, что способствует развитию в ней различных микроорганизмов. В зависимости от размеров их подразделяют на ультрамикробы, бактерии и многоклеточные организмы (грибы, водоросли), не образующие спор, называются бактериями, а образующие споры - бациллами. Представителями извитых форм микробов являются вибрионы (слегка изогнутые), спириллы (сильно изогнутые с несколькими завитками) и спирохеты (еще более изогнутые). Кроме перечисленных одноклеточных микробов встречаются нитчатые формы многоклеточных микроорганизмов. Эта группа макромикробов представляет значительный интерес для санитарно-технической практики, так как к ним относятся серо- и железобактерии. Нитчатые бактерии - это свободно плавающие или прикрепленные микроорганизмы. Они размножаются при помощи спороподобных овальных телец, образующихся из концевых клеток нити. Тельца, снабженные жгутиками, называют гонидиями; они способны самостоятельно двигаться. Неподвижные клетки называют конидиями. Самостоятельно передвигаться в воде способны не все представители группы бактерий, а только те, клетки которых имеют выросты - жгутики; спирохеты, не имеющие жгутиков, перемещаются благодаря колебаниям всего тела. Скорость движения бактерий составляет примерно 10-20 мкм/с. Нитритные бактерии, окисляющие ионы аммония и нитриты, в своем развитии проходят через подвижные и неподвижные стадии. Попадая в свежую питательную среду, они развиваются в форме неподвижных коротких палочек; по мере истощения среды у них появляется жгутик, обусловливающий их подвижность. В этой стадии бактерии доокисляют оставшиеся аммонийные соли, затем теряют жгутик и оседают на дне, образуя плотные зоогели. У нитратных бактерии, осуществляющих дальнейшую нитрификацию, известна лишь неподвижная стадия. Большинство бактерий бесцветны и прозрачны, увидеть их можно лишь после окраски анилиновыми красителями. Наружная оболочка у них пористая, тонкая; она обеспечивает сохранение постоянной внешней формы. Под наружной оболочкой клетки находятся протоплазма и специфические ядерные вещества. Функции ядерного вещества проявляются при размножении, которое происходит у бактерий делением клетки на две половинки. При благоприятных внешних условиях время генерации (деления) составляет: у термофилов - 5 мин, у азобактера - 18мин, у кишечной палочки - 20-30 мин, у туберкулезной палочки - несколько часов. Для части бактерий (бацилл) в неблагоприятных жизненных условиях характерно спорообразование - возникновение внутри клетки тельца округлой или эллиптической формы. На образование споры затрачивается почти все содержимое протоплазмы. Споры способны выдерживать в течение нескольких часов воздействие температуры до 100 °С, они не погибают при высушивании, замораживании, действии прямых солнечных лучей и даже сильных химических ядов; гибнут споры лишь при стерилизации в автоклавах. При попадании в благоприятные условия споры развиваются в нормальные клетки: некоторые бациллы восстанавливают клетку в течение 40-50 мин. Подсчитано, что если бы бактерии размножались беспрепятственно на протяжении 5 сут, то потомство одной средней бактерии длиной 2 мкм и шириной 1 мкм заняло бы объем, равный объему воды всех морей и океанов. Однако размножение микробов сильно ограничено рядом факторов. В 0,001 мл воды может вместиться 10⁹ бактерий. Внесение такого ничтожного объема культур бактерий в 1 м³ воды обусловливает появление 1000 бактерий на 1 мл воды. Следовательно, ничтожно малое количество зараженного болезнетворными бактериями вещества достаточно для распространения инфекционных заболеваний через воду. Микробы имеют громадную поверхность, приходящуюся на единицу массы. Она равна 4000 м² на 1 кг их массы, что в 1 млн. раз больше, чем у человека (0,04 м² на 1 кг массы). Этим определяется чрезвычайная активность бактерий и их высокая чувствительность к изменению условий существования.

По способу питания микробы подразделяют на три группы: аутотрофные, которые необходимую для жизнедеятельности энергию получают при фотосинтезе (усвоение углекислоты) или хемосинтезе (окисление серы, аммония, нитритов, железа (II) и др.); гетеротрофные (сапрофиты), требующие для построения своего организма готовых органических веществ (гнилостные микробы, плесневые грибки, дрожжи, актиномицеты); паратрофные (паразиты), нуждающиеся в живом белке (все болезнетворные микробы). По типу дыхания, которое осуществляется всей поверхностью клетки, микробы делятся на аэробов и анаэробов. Первые развиваются только при свободном доступе кислорода, вторые могут жить только при отсутствии кислорода воздуха. Существует также группа факультативных анаэробов, способных развиваться при небольшом доступе кислорода. В природных водах наряду с полезными микробами, участвующими в процессе самоочищения водоемов и водотоков, содержатся и вредные, патогенные микроорганизмы, являющиеся возбудителями инфекционных заболеваний - брюшного тифа, паратифа, дизентерии, холеры, сибирской язвы, бруцеллеза, инфекционной желтухи, туляремии и ряда других. При бактериальном анализе выделить болезнетворные бактерии сравнительно сложно. Поэтому о загрязнении воды патогенными микробами судят по наличию в ней легко определяемой кишечной палочки (Escherichia coli), которая обитает в кишечнике человека н животных. Для человека кишечная палочка безвредна, но присутствие ее в воде указывает на загрязнение ее выделениями человека и животных и на возможное наличие там возбудителей инфекционных заболеваний. Она является своеобразным индикатором возможного присутствия в воде болезнетворных микробов. Показателями загрязненности воды служат коли-титр и коли-индекс. Наименьший объем воды в миллилитрах, содержащий одну кишечную палочку, называют коли-титром, количество кишечных палочек в 1 л воды - коли-индексом. Вирусы относятся к ультрамикробам, которые настолько малы, что проходят через мембранные фильтры, задерживающие обычные бактерии. Так, размер частиц вируса полиомиелита составляет 8-17 нм, вируса Коксаки и ECHO - 20-3О нм, инфекционного гепатита - 40-56 нм. Вирус полиомиелита выделен также в форме кристаллического протеина, обладающего инфекционными свойствами. Для вирусов характерны отсутствие клеточного строения, простота химического состава (обычно гидратированный белок и специфическая нуклеиновая кислота), своеобразие обмена веществ (не имея своей ферментативной системы, они являются паразитами живой клетки животных и растений). Вирусы не размножаются на искусственных питательных средах; накапливаются они и проходят определенный цикл развития в соответствующих живых клетках. Действие многих антибиотиков и химиотерапевтических веществ на них малоэффективно. На холоде фильтрующиеся вирусы сохраняют свою активность на протяжении многих лет. Высушивание не убивает их, а создает благоприятные условия для вырабатывания стойкости к повышенным температурам. При высокой температуре (около 90 °С) вирусы погибают; некоторые из них не выдерживают даже 55 °С. Энтеровирусы более устойчивы к действию ультрафиолетовых лучей и хлора чем кишечная палочка, являющаяся индикатором в бактериологическом анализе. Коагуляция примесей воды с помощью квасцов освобождает воду от вирусов лишь на 40%, кишечная палочка при этом удаляется на 85%. Опасность распространения вирусных инфекций через воду связана с тем, что методы водоподготовки нe обеспечивают полного удаления фильтрующихся вирусов, как это наблюдается в отношении других микробов; санитарный надзор ведется по бактериальным тестам.

Кроме бактериологического исследования проводится и биологическое. Оно заключается в изучении водных организмов, располагающихся у дна водоема и на поверхности подводных предметов (бентоса) или находящихся а толще воды во взвешенном состоянии (планктона).