Mikroorganizmai gali skaidyti teršalus per metabolinius procesus, kuriuose teršalai tarnauja kaip energijos, anglies ar maistinių medžiagų šaltiniai. Šis biologinis skilimas vyksta, kai mikroorganizmai išskiria fermentus, kurie chemiškai keičia toksines medžiagas, paverčiant jas paprastesnėmis, mažiau kenksmingomis junginiais. Pavyzdžiui, angliavandenilius skaidančios bakterijos, tokios kaip Pseudomonas, Alcanivorax ir Mycobacterium, gali metabolizuoti naftos komponentus, oksiduodamos juos į anglies dioksidą ir vandenį aerobinio kvėpavimo metu. Anaerobinėmis sąlygomis tam tikros bakterijos taip pat gali naudoti teršalus kaip alternatyvius elektronų akceptorius, leidžiančius joms skaidyti junginius, pavyzdžiui, nitratus, chloruotus tirpiklius ar sunkiuosius metalus. 

Grybai, tokie kaip Phanerochaete chrysosporium, gali skaidyti patvarius organinius teršalus, pavyzdžiui, pesticidus ir dažus, gaminant ligninolitinius fermentus, kurie sudėtingas molekules suskaido į mažesnius fragmentus. Kai kurie mikroorganizmai netgi redukcijos-oksidacijos reakcijų metu sunkiuosius metalus paverčia netirpiomis formomis, juos imobilizuodami dirvožemyje ar nuosėdose. Šiuos procesus veikia aplinkos veiksniai, įskaitant pH, temperatūrą, deguonies prieinamumą ir kofermentų buvimą. Remiantis naujausiais Ghosal ir kt. (2016) tyrimų rezultatais, mikrobų bendrijos dažnai veikia efektyviau kaip konsorciumai, kur skirtingos rūšys sinergiškai veikia, kad sudėtingus teršalų mišinius skaidytų efektyviau nei pavienės rūšys. Šie biologiniai mechanizmai yra svarbiausi tiek natūraliose, tiek dirbtinėse biologinio valymo sistemose, todėl mikroorganizmai yra nepakeičiami agentai tvaraus aplinkos užteršimo valymo procese.