本发明涉及微生物和光催化技术领域，具体涉及一种纳米二氧化钛与微藻耦合方法、生物体系及应用。利用L‑半胱氨酸、L‑精氨酸、二(2‑羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛和斜生四链藻制备得到纳米二氧化钛与微藻耦合的生物体系。该生物体系内部的纳米二氧化钛颗粒与微藻具有协同效应，在相同的降解条件下，该生物体系对溶液中苯酚的降解效率是纳米二氧化钛与灭活微藻生物体系的1.32倍，是只含有微藻体系的2.30倍。本发明既解决了微藻在高浓度化学药剂中由于高渗透压难以存活的问题，又提供了一种可以高效降解溶液中苯酚的方法。