Mikroorganismen sind in der Lage, Schadstoffe durch Stoffwechselprozesse abzubauen, bei denen die Kontaminanten als Energie-, Kohlenstoff- oder Nährstoffquelle dienen. Dieser biologische Abbau erfolgt, wenn Mikroben Enzyme ausscheiden, die toxische Substanzen chemisch verändern und sie in einfachere, weniger schädliche Verbindungen umwandeln. Beispielsweise können ölabbauende Bakterien wie Pseudomonas, Alcanivorax und Mycobacterium Ölbestandteile durch Oxidation während der aeroben Atmung zu Kohlendioxid und Wasser metabolisieren. Unter anaeroben Bedingungen können bestimmte Bakterien Schadstoffe auch als alternative Elektronenakzeptoren nutzen, wodurch sie Verbindungen wie Nitrate, chlorierte Lösungsmittel oder Schwermetalle abbauen können.

Pilze wie Phanerochaete chrysosporium sind in der Lage, persistente organische Schadstoffe wie Pestizide und Farbstoffe abzubauen, indem sie ligninolytische Enzyme produzieren, die komplexe Moleküle in kleinere Fragmente zerlegen. Einige Mikroben transformieren sogar Schwermetalle durch Redoxreaktionen in unlösliche Formen und immobilisieren sie im Boden oder Sediment. Umweltfaktoren wie pH-Wert, Temperatur, Sauerstoffverfügbarkeit und das Vorhandensein von Co-Substraten beeinflussen diese Prozesse. Nach aktuellen Erkenntnissen von Ghosal et al. (2016) funktionieren mikrobielle Gemeinschaften oft effektiver als Konsortien, bei denen verschiedene Arten synergistisch zusammenarbeiten, um komplexe Schadstoffgemische effizienter abzubauen als einzelne Stämme. Diese biologischen Mechanismen sind zentral für sowohl natürliche als auch technische Bioremediationssysteme und machen Mikroben zu unverzichtbaren Akteuren bei der nachhaltigen Behandlung von Umweltkontaminationen.