近年来,随着工业化和城镇化的发展,大量工业废水及生活污水的排放使水环境安全受到巨大威胁。其中,致病菌、重金属及有机污染物含量超标给生态环境以及人类健康带来很大的影响。因此,如何高效去除水体中的致病菌、金属及有机污染物,是当前水环境治理中面临的一个重要问题。在各种水体净化方法中,生物膜技术法因具有工艺简单、成本低廉、不产生二次污染等优势成为水污染深度处理的重要手段。但现有的生物膜技术主要利用物理吸附或共价接枝等手段固定功能分子,存在功能效期短、制备复杂的缺陷。为了解决以上问题,本论文提出了利用合成生物学策略对生物膜进行功能化的思路,来简化现有生物膜功能化的复杂过程,提高生物处理效率。因此,我们建立了基于可编程淀粉样纤维的生物膜功能化新方法。在此基础上,利用该方法对异化金属还原菌希瓦氏菌（Shewanella oneidensis MR-1）生物膜进行功能化设计,制备了多功能生物膜/石墨烯水凝胶和功能化生物膜/活性炭复合滤膜,并应用于水体中致病菌的高效杀灭、有机污染物的有效去除和贵金属的生物吸附与回收。主要研究结果如下:（1）提出并构建了一种基于可编程淀粉样纤维的生物膜功能化新方法。以希瓦氏菌为模式菌,通过引入外源CsgA,并在CsgA的C端融合功能性多肽的设计策略,使希瓦氏菌在生物膜内部分泌表达功能性Curli纤维,形成功能化生物膜。进一步,在CsgA的C端融合多肽MBD（可特异性结合304L不锈钢）,使两种希瓦氏菌（S.oneidensis MR-1和S.loihica PV-4）形成了可与不锈钢电极牢固结合的功能化生物膜,且表现出优异的生物电催化性能,实现了高效CO2生物电化学固定（库伦效率达到～99%）和生物电化学脱氮(一级动力学常数达到0.68h-1)。（2）制备了一种可用于水体中致病菌、重金属及有机污染物高效处理的多功能生物膜/石墨烯水凝胶。通过CsgA末端融合具有银结合肽及金属结合肽,构建多种表达载体,分别实现其在希瓦氏菌中的异源表达。进一步,利用该基因工程改造希瓦氏菌与氧化石墨烯（GO）自组装,制备多功能生物膜/石墨烯水凝胶。制备条件为:GO浓度为1 mg/mL,细菌浓度OD600=1,AgNO3浓度为1 m M,β-环糊精单次添加量375 mg,静置培养12 h形成水凝胶。研究表明,多功能生物膜/石墨烯水凝胶内部负载β-环糊精和均匀分布于石墨烯片层的Ag纳米颗粒。通过水体污染物处理性能分析发现,该水凝胶对典型致病菌大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及芽孢杆菌均具有较好的杀灭性能(106 CFU mL-1细菌浓度下,灭活率均达99%以上);对Cd（Ⅱ）,Pb（Ⅱ）,Ni（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）吸附率均达95%以上;对20mg/L双酚A的去除率可达89%以上。（3）制备了一种可用于水体中贵金属高效原位回收的功能化生物膜/活性炭复合滤膜。利用上一节构建的共表达银结合肽及金属结合肽的重组希瓦氏菌与活性炭结合,制备功能化生物膜/活性炭复合滤膜。经优化得到最佳制备条件为:活性炭浓度为750 mg/L,细菌浓度OD600=6,共培养12 h,通过孔径为0.45μm的水系滤膜抽滤成复合滤膜。在此条件下,制备得到的功能化生物膜/活性炭复合滤膜对Ag（Ⅰ）和Au（Ⅲ）的吸附率均达95%以上,且可实现对所吸附贵金属离子的原位还原,生成大小～10 nm的金属纳米颗粒。进一步研究发现,利用该复合滤膜从人工合成废水中回收形成的Au纳米颗粒具备良好的催化性能（4 h内可完全催化还原100μM的对硝基苯酚）。