集约化农区过量养分的输入可增加农田营养盐流失(又称农田养分流失)的强度和频度。营养盐流失及其相关污染(如农业面源污染、有害藻类“水华”及藻毒素)正威胁生态系统健康，甚至人类安全。因此，研究营养盐流失及其相关污染的生物控制技术及其作用机理，是我国乃至世界亟需解决的一个重大社会需求，对保护农田及其下游集水区生态环境具有重要意义。在农学方面，前人对农田营养盐流失己开展了一些研究，然而在环境保护与生态系统安全方面，营养盐流失及其相关污染的生物控制鲜有报道。　　 本论文以自然生物膜为研究主线，围绕营养盐流失及其相关污染的控制机制，系统研究了自然生物膜去除氮磷、阻断沉积物磷释放、抑制蓝藻生长、去除藻毒素的效果；探讨了自然生物膜去除污染物质的吸附、吸收、生物降解以及化感作用等方面的作用过程；开发了基于自然生物膜的复合生物反应器，控制农田集水区营养盐流失及其相关污染，且成功应用于滇池流域典型农田区。主要研究结果如下：　　 (1)自然生物膜的应用能够显著降低农田集水区水体中氮磷的营养水平，当每立方米水体中含有自然生物膜量为4000 g(湿重，含水率约90％)，TP、TDP、TN和NO3-N初始浓度分别为0.56 mg L-1、0.16 mg L-1、7.91mg L-1和1.66 mg L-1时，去除率分别为51%、56%、59%和50%。由于腐殖酸类物质的释放，自然生物膜的应用可促进碱性水质向中性水质转变。　　 (2)用农田排水培养的自然生物膜主要成分为细菌和硅藻。当上覆水TDP和TP的初始浓度分别为0.31 mg L-1和0.74 mg L-1时，经过ISC-和AAM-自然生物膜(ISC和AAM为生物膜载体)处理后，TDP分别下降到0.14 mg L-1和0.12 mg L-1，TP分别下降到0.38 mgL-1和0.34 mg L-1。当ISC-自然生物膜和AAM-自然生物膜布设在上覆水和沉积物之间时，沉积物中Exch-P和TP浓度基本保持不变，说明无沉积物磷向水体释放。当铜绿微囊藻初始浓度低于119.3μg L-1时，自然生物膜的引入抑制了铜绿微囊藻的生长；而在对照水体中，暴发了蓝藻“水华”。说明适量引入自然生物膜(微生物聚集体)可以环境友好地控制浮游细菌(蓝藻)。　　 (3)蓝藻(铜绿微囊藻M.aeruginosa)具有一个营养需求下限，低于这个值时，蓝藻不能跟自然生物膜中的其它生物进行有效竞争。在自然生物膜与蓝藻共存时，蓝藻“水华”的消失是由于蓝藻与自然生物膜之间的化感作用造成的。自然生物膜能够释放水溶性化感物质如吲哚和3-氧-α-紫罗兰酮，这些化感物质能破坏蓝藻的类囊体膜，中断光合系统Ⅱ中的电子传递，减少有效量子产率，最终导致光合作用的中止，从而显著抑制蓝藻生长。研究结果说明，自然生物膜技术的应用是一项环境友好的生态工程措施，可以控制蓝藻“水华”，为农田集水区的环境修复提供有益的过渡性生境。　　 (4)利用自然生物膜可有效去除藻毒素(MCRR)。在试验溶液体积为5.0 L的水缸中，自然生物膜去除MCRR的最大去除率出现在第1天，当自然生物膜生物量为1.32 g、3.96 g、6.60 g和9.24 g时，MCRR去除率分别为85.2%、73.3%、83.5%和86.5%。MCRR去除量随着自然生物膜生物量与溶液中MCRR的量的比值增加而增加。自然生物膜吸附MCRR过程符合Freundlich，Langmuir和Dubinin-Radushkevich(D-R)模型，说明吸附过程具有一定的机械关联性。自然生物膜吸附MCRR过程是物理的自发吸附过程。在适应期，自然生物膜的吸附作用是去除MCRR的主导机制，此后生物降解作用主导MCRR的去除。　　 (5)为控制农田集水区营养盐流失，建立了一套经济和环境友好的生物技术--复合生物反应器。该反应器由厌氧、缺氧、好氧(A2/O)工艺段和生态沟渠组成，在滇池流域的成片集约化农区得到了成功应用(控制面积约6.3×104 m2)。结果显示，复合生物反应器能同步培育自养和异养微生物。当农业面源污水进水量为200 m3 d-1，运行模式为12 h/12 h(12 h运行/12 h停止运行)时，营养盐去除效率分别为81%(TP)、74%(TDP)、82%(TN)、79%(NO3-N)和86%(NH4-N)。A2/O工艺段的污泥泵入生态沟渠后，使得生态沟渠保持在一个自维持状态，节约了建设和运行成本。复合生物反应器的应用改善了细菌群落结构，改善了细菌栖息地环境，反过来又促进了水质的改善。