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菌藻生物膜技术是在固定化技术的基础上发展起来的，它与固定化技术不同之处在于它利用微藻本身易于附着的特性，附着在载体表面，在一定条件下培养驯化形成菌藻生物膜中微藻的密度大大提高，并且脱氮除磷效果稳定，且处理效果优于普通悬浮藻系统。相互附着的菌藻群落在固体载体生长形成光合生物膜，光合生物膜的组成和结构根据环境中的非生物和生物因素会有所不同。在生物膜的形成和增长阶段，微藻通过增加或减少特定的启动子的表达影响胞外聚合物(EPS)的产生速率，进而对环境变化做出响应。研究表明增加营养物质浓度，尤其是氮浓度，能增加硅藻和绿藻EPS的产量。此外，温度变化和矿物质(^{2+}$)积累也能影响藻类的EPS的产生。
菌藻生物膜中包括不同的藻类(绿藻、硅藻、丝状藻等)、细菌(异氧细菌、自养细菌)、蓝细菌、原生动物和多细胞微生物等，它们在生物膜内彼此之间形成共生关系。菌藻生物膜的成熟度会影响所存在物种的演替，例如影响藻类、细菌、EPS的丰度和比例。菌藻生物膜的形成与生长主要有4个阶段：
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1. 在菌藻生物膜中形成的初始阶段，也称为固体载体表面调节阶段(Ⅰ)，由细胞分泌的胞外聚合物附着在固体载体上，细菌开始生长，在此阶段生物膜中含有较高的EPS和细菌比例，蓝细菌和藻类相对较少。 2. 随后，进入光合生物膜的早期生长阶段(Ⅱ)，各类微藻开始附着在固体载体表面的EPS基质中生长。 3. 在光合生物膜的发展阶段(Ⅲ)，藻类细胞快速生长，与EPS基质中的细菌形成了共生微环境。 4. 如果培养液中营养物质充足，光合生物膜将进入成熟阶段(Ⅳ)，在EPS基质中有较为丰富的藻类细胞、细菌和营养物质。
菌藻生物膜系统典型的有水力藻类床。水力藻类床系统主要由附着在倾斜水渠中的丝状藻、悬浮的微藻和细菌组成，可以认为是强化藻类作用的高效藻类塘。美国帕特森市利用水力藻类塘系统对城市部分处理水进行深度处理，平均磷去除量达到(0.73±0.289) ·m^{-3}·d^{-1}$。随着菌藻系统理论的发展，有益于菌藻共生微环境的菌藻生物膜反应器应运而生。有研究人员在生物转盘上接种了细菌和微藻，利用形成的菌藻生物膜处理柴油废水。还有人依据菌藻共生原理，设计并开发出了一种由Chlorella sorokiniana和活性污泥构成的管状菌藻生物膜光反应器，可实现光合作用的$和$、高浓度的氨氮从膜的两边各自扩散，同时高效实现硝化细菌的硝化作用和微藻的光合作用，利用该反应器中处理猪场污水，总碳(TOC)、氨氮、^{3-}$去除量分别达到(80±5)、(89±5)、(13±3) ·m^{-3}·d^{-1}$。菌藻生物膜系统处理污水存在一定的优势，能克服悬浮菌藻系统出水含有大量藻类和细菌，影响出水质量的缺点，同时生物膜易于形成，优势菌种和藻类不易流失，菌藻生物膜形成过程中菌藻分泌的EPS能够为菌藻共生体提供一个缓冲的微环境，使菌藻生物膜能在不利的环境中保持较高的活性，并持续去除污水中的污染物，成本较低，但存在生物膜脱落问题，设计及运行反应器时应综合考虑光照、水力流速等因素，控制生物膜的增殖衰减与平衡。