El aumento global en la generación de aguas residuales municipales e industriales ha intensificado la necesidad de sistemas de tratamiento ecológicamente resilientes y tecnológicamente avanzados. Aunque las tecnologías de tratamiento biológico tradicionales son efectivas para la reducción de la carga orgánica, a menudo no logran eliminar xenobióticos recalcitrantes como fármacos, colorantes sintéticos, disruptores endocrinos (EDCs) y microplásticos (MPs). Los consorcios microbianos diseñados ofrecen una alternativa prometedora y sostenible debido a su flexibilidad metabólica, resiliencia ecológica y capacidad para la degradación sintrófica de contaminantes complejos. Esta revisión examina críticamente las estrategias emergentes para mejorar la biorremediación microbiana en sistemas de tratamiento de aguas residuales (WWTS), centrándose en la co-digestión, la ingeniería de biofilm, la bioaumentación dirigida y la incorporación de materiales conductores para estimular la transferencia de electrones inter-especies directa (DIET). Esta revisión destaca cómo las plataformas multi-ómicas, incluyendo metagenómica, transcriptómica y metabolómica, permiten un perfilado comunitario de alta resolución y reconstrucciones de rutas. La integración de inteligencia artificial (IA) y algoritmos de aprendizaje automático (ML) en los diagnósticos de bioprocesos facilita la optimización del sistema en tiempo real, la modelización predictiva de la dinámica de los genes de resistencia a antibióticos (ARG) y el control inteligente de biorreactores. Se analizan críticamente los desafíos persistentes, como la inestabilidad microbiana, la diseminación de ARG, el ensuciamiento del reactor y la ausencia de bases de datos de referencia microbiana específicas de la región. Esta revisión concluye con un camino de traducción para el desarrollo de sistemas de tratamiento de aguas residuales de próxima generación que integren consorcios microbianos sintéticos, biosensores mediados por IA y biorreactores modulares dentro del marco de Una Salud y Economía Circular.