菌藻共生系统去除重金属污染物主要是通过生物吸附和生物富集过程完成。在低浓度下，微生物对水体中重金属的作用可分为两个阶段：
1. 生物吸附：金属离子通过络合、配位、离子交换等作用附着在微生物细胞表面，该过程的反应时间较短、与代谢无关，且无需提供能量； 2. 生物富集：微生物表面的金属离子在细胞的代谢作用下与质膜上某些酶类结合，转运至细胞内，该过程反应缓慢并且不可逆、与代谢活动有关。
菌藻共生系统能有效去除重金属，主要是因为相比细菌类微生物，微藻对重金属有较高的耐受力，从而能提高该系统对重金属的去除效果。关于重金属对微藻生长繁殖的影响，国内外都有进行大量的研究工作，Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Co、Ni等金属在浓度较低时能促进微藻生长，较高浓度时对微藻生长有抑制作用，这种较低浓度促进、较高浓度抑制的现象被认为是自我平衡效应。
微藻吸附重金属常见的机理主要是离子交换机理和络合机理。阳离子可与分子或带有自由电子对的阴离子(碱基对)起络合或螯合反应。络合物则是经过污水中的金属阳离子与细胞里的蛋白质、脂类及多糖中带负电荷的官能团络合而形成的，如$—CONH_2$、—SH$、$—NH_2$、$—COOH$、咪唑、硫醚、硫酸盐和磷酸盐等。离子交换作用主要是污水中所含有的金属阳离子将藻类细胞壁上的质子置换出，而其他金属离子则通过离子间的静电引力作用或通过配位键吸附在细胞壁表面上。研究表明离子交换机理是最能反映藻类细胞生物吸附重金属离子的实际过程，多糖中的藻酸盐与硫酸盐也被发现具有较为显著的离子交换能力。
在高浓度下，重金属对微藻的毒性效应主要表现为：影响藻类的生长代谢、抑制光合作用、减少细胞色素、导致细胞畸变、改变自然环境中的藻种组成等。通常情况下，重金属对微藻的毒性大概是(从强到弱)：Hg > Cd ≈ Cu > Zn > Pb > Co > Cr。但并不是所有的微藻都会符合这样的规律，不同的微藻对同种重金属的耐受性可能会存在差异。