Los bioplásticos de poli(hidroxialcanoato) (PHA) se producen a partir de aguas residuales como una estrategia de recuperación de carbono. Sin embargo, las características ajustables de los PHA y el potencial de biorefinería de aguas residuales no han sido revisados de manera exhaustiva. El objetivo de este estudio es revisar los principales desafíos y estrategias para la recuperación de carbono a partir de materias primas de aguas residuales mediante la producción de PHA, evaluando las posibles aplicaciones de biopolímeros objetivo. Diversos procariotas acumuladores de PHA metabolizan contaminantes orgánicos presentes en las aguas residuales a través de diferentes vías metabólicas, determinando las características del biopolímero. Se describen la síntesis de PHA utilizando cultivos microbianos mixtos con materias primas de aguas residuales derivadas de actividades municipales, agroindustriales, de procesamiento de alimentos, de procesamiento de biomasa lignocelulósica y de producción de biocombustibles. La fermentación acidogénica de materias primas de aguas residuales y el enriquecimiento de cultivos microbianos mixtos son pasos clave para mejorar la productividad de PHA y determinar las propiedades del biopolímero hacia bioplásticos personalizados para aplicaciones específicas. La biorefinería de copolímeros de PHA y polisacáridos extracelulares (EPS), incluidos los polisacáridos similares a alginato, son alternativas para mejorar la cadena de valor de la recuperación de carbono de las aguas residuales. Los PHA y los EPS exhiben un amplio repertorio de aplicaciones con distintos requisitos de control de seguridad; por lo tanto, acoplar las demostraciones de producción de biopolímeros con aplicaciones objetivo es crucial para avanzar hacia aplicaciones a gran escala. Este estudio discute la relación entre la base metabólica de la síntesis y composición de PHA, el tipo de aguas residuales y las aplicaciones objetivo, describiendo el potencial para maximizar la valorización de recursos de carbono.