Οι μικροοργανισμοί είναι ικανοί να διασπούν ρύπους μέσω μεταβολικών διεργασιών, στις οποίες οι μολυσματικές ουσίες λειτουργούν ως πηγές ενέργειας, άνθρακα ή θρεπτικών συστατικών. Αυτή η βιολογική αποδόμηση συμβαίνει όταν οι μικροοργανισμοί εκκρίνουν ένζυμα που τροποποιούν χημικά τις τοξικές ουσίες, μετατρέποντάς τες σε απλούστερες, λιγότερο επιβλαβείς ενώσεις. Για παράδειγμα, βακτήρια που διασπούν υδρογονάνθρακες όπως τα Pseudomonas, Alcanivorax και Mycobacterium μπορούν να μεταβολίζουν συστατικά του πετρελαίου οξειδώνοντάς τα σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό κατά την αερόβια αναπνοή. Σε αναερόβιες συνθήκες, ορισμένα βακτήρια μπορούν επίσης να χρησιμοποιούν ρύπους ως εναλλακτικούς δέκτες ηλεκτρονίων, επιτρέποντάς τους να διασπούν ενώσεις όπως νιτρικά, χλωριωμένους διαλύτες ή βαρέα μέταλλα.

Μύκητες όπως ο Phanerochaete chrysosporium είναι ικανοί να διασπούν ανθεκτικούς οργανικούς ρύπους, όπως φυτοφάρμακα και χρωστικές, παράγοντας λιγνινολυτικά ένζυμα που διασπούν πολύπλοκα μόρια σε μικρότερα θραύσματα. Ορισμένοι μικροοργανισμοί μετατρέπουν ακόμη και βαρέα μέταλλα σε αδιάλυτες μορφές μέσω αντιδράσεων οξειδοαναγωγής, ακινητοποιώντας τα στο έδαφος ή το ίζημα. Περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως το pH, η θερμοκρασία, η διαθεσιμότητα οξυγόνου και η παρουσία συνυποστρωμάτων, επηρεάζουν αυτές τις διαδικασίες. Σύμφωνα με πρόσφατα ευρήματα των Ghosal et al. (2016), οι μικροβιακές κοινότητες συχνά λειτουργούν πιο αποτελεσματικά ως κοινοπραξίες, όπου διαφορετικά είδη συνεργάζονται για να διασπούν σύνθετα μίγματα ρύπων πιο αποτελεσματικά από μεμονωμένα στελέχη. Αυτοί οι βιολογικοί μηχανισμοί είναι κεντρικοί τόσο για τα φυσικά όσο και για τα τεχνητά συστήματα βιοαποκατάστασης, καθιστώντας τους μικροοργανισμούς αναντικατάστατους παράγοντες στη βιώσιμη αντιμετώπιση της περιβαλλοντικής ρύπανσης.