Microbiology has a fundamental role in the integration of nutrients, energy and water recovery in biological wastewater treatment processes. The knowledge about key microbial groups composition, structure, dynamics, and ecology, will improve the comprehension of processes integrated into future Water Resource Recovery Facilities (WRRF) and could be helpful to optimize the anaerobic systems for bioenergy recovery from renewable sources. The combination of anaerobic membrane bioreactors (AnMBR) for sewage treatment and membrane photobioreactors (MPBR) for microalgae cultivation produces high-quality reclaimed water and is a sustainable solution on a circular economy frame. Also, the enhance of hydrolytic groups in microbial communities is a feasible strategy to boost biomethanization when using renewable sources that are produced in municipalities (e.g. food waste) or during the treatment of wastewater (microalgae, sewage sludge). This work evaluates the microbial ecology of seven anaerobic reactors for bioenergy recovery from renewable sources during performance optimization. Massive sequencing of 16S rDNA biomarker has been applied in these systems to detect the influence of the operational parameters on the bioreactor microbiology. The studies have been carried out at both the laboratory and the pilot plant scales. The complexity of the information retrieved through high-throughput sequencing has required the development of bioinformatics and biostatistics knowledge. The application of multivariate analysis techniques has allowed the full comprehension of the effect of operational parameter selection such as temperature, inoculum source, hydraulic and solids retention time, organic loading rate and influent composition. Besides, different bioreactor configurations have been explored, including the AnMBR because of its potential integration in future WRRF. This study demonstrates that the temperature is the most influencing parameter over microbial communities. The most remarkable mesophilic phyla of anaerobic systems were 15-30% Chloroflexi, 14-27% Proteobacteria, 2-19% Bacteroidetes, 2-15% Firmicutes, and 1-7% Synergistes; and 6-44% Thermotoga and 17-32% Firmicutes for thermophilic systems. Mesophilic systems for microalgae degradation through digestion or co-digestion share 57% of their microbial diversity. The differences were mainly attributed to solids (SRT) and hydraulic (HRT) retention times. The rDNA and rRNA sequencing strategy is especially recommended for thermophilic systems to remove the background groups associated with the feedstock biomass. Finally, it is concluded in this work that the use of acclimated communities at high SRT using AnMBR systems is a better alternative than the use of exogenous hydrolytic consortia since they are more resistant to changes in the operational conditions. Moreover, both Scenedesmus and Chlorella microalgae can be degraded by similar communities without pre-treatments.La Microbiología tiene un rol fundamental en la integración de procesos para la recuperación de nutrientes, energía y agua durante el tratamiento biológico del agua residual. La identificación de los grupos microbiológicos clave, así como de sus dinámicas, ecología y estructuras microbianas, mejorará el entendimiento de los procesos que integran las futuras plantas de recuperación de recursos, conocidas por sus siglas en inglés como Water Resource Recovery Facilities (WRRF). Este conocimiento podría ser de gran utilidad durante la optimización de sistemas anaerobios que recuperan energía a partir de fuentes de biomasa renovables. Hasta la fecha, diferentes estudios han demostrado que la combinación de los biorreactores anaerobios de membranas (AnMBR) para el tratamiento de agua residual y los fotobiorreactores de membranas para el cultivo de microalgas producen un efluente de alta calidad y son una opción sostenible, enmarcada en un concepto de economía circular. Además, el aumento del potencial hidrolítico de las comunidades microbianas ha demostrado ser una prometedora estrategia para incrementar el potencial de recuperación de metano a partir de fuentes de biomasa renovables, que se generan en las áreas municipales (como la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos) o durante los tratamientos del agua residual (biomasa de microalgas o fangos de depuradora). Este trabajo evalúa la ecología microbiana de un total de siete reactores anaerobios empleados en la recuperación de bioenergía a partir de fuentes de biomasa renovables. La secuenciación masiva del biomarcador de microorganismos procariotas (gen 16S rDNA) ha sido aplicada en todos estos sistemas para detectar la influencia de los parámetros operacionales sobre la ecología microbiana de los biorreactores durante la optimización del proceso. Los estudios han sido llevados a cabo a escala de laboratorio y de planta piloto. La complejidad de estos estudios de secuenciación ha motivado el desarrollo de una metodología en este trabajo para el análisis de datos de bioinformática y su posterior tratamiento con técnicas de bioestadística. En este contexto, la aplicación de técnicas de análisis multivariante ha permitido comprender el efecto de parámetros operacionales clave tales como la temperatura, la fuente de inóculo, los tiempos de retención hidráulico y celular, la velocidad de carga orgánica y la composición del afluente. Además, se han comparado diversas configuraciones de reactores, incluyendo el reactor AnMBR por su alto potencial de integración en las futuras WRRF. En este estudio se demuestra que la temperatura es el parámetro con la mayor influencia sobre las comunidades microbianas. Los phyla más abundantes en condiciones mesofílicas fueron 15-30% Chloroflexi, 14-27% Proteobacteria, 2-19% Bacteroidetes, 2-15% Firmicutes, y 1-7% Synergistes. En los sistemas termofílicos destacaron 17-32% Firmicutes y 6-44% Thermotoga. Cabe destacar que los sistemas mesofílicos de degradación de microalgas compartían un 57% de su diversidad microbiana y que las diferencias observadas se atribuían a los tiempos de retención hidráulico y celular. El análisis de rDNA y rRNA se recomienda para sistemas termofílicos con el fin de eliminar los grupos de microorganismos de fondo que se asocian a la diversidad microbiana intrínseca de la biomasa. Finalmente, en este trabajo se concluye que el uso de comunidades aclimatadas a altos tiempos de retención celular en reactores AnMBR es una mejor alternativa que el uso de cultivos externos hidrolíticos, ya que tienen una mayor resistencia ante cambios en las condiciones operacionales. Además, las microalgas Scenedesmus y Chlorella, que crecen en efluentes anaerobios, pueden ser degradadas por comunidades microbianas sin aplicar pretratamientos.