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氮循环是水产养殖中最重要的生化过程之一。在南美白对虾养殖中，氮循环决定了水体中有毒物质的转化效率。正常的氮循环过程包括四个主要阶段：首先，有机氮在氨化细菌作用下分解为氨氮；然后氨氮在亚硝化细菌作用下转化为亚硝酸盐；接着亚硝酸盐在硝化细菌作用下转化为相对无害的硝酸盐。这个过程如果受阻，就会导致有毒的氨氮和亚硝酸盐在水体中累积，最终危害虾类生存。
正常的氮循环需要三类关键细菌协同工作。氨化细菌负责将有机氮分解为氨氮，它们适应性强，在pH6.5到8.5的环境中都能正常工作。亚硝化细菌将氨氮转化为亚硝酸盐，这类细菌对环境要求较高，需要溶解氧大于4毫克每升，适宜温度为25到30摄氏度。硝化细菌将亚硝酸盐转化为相对无害的硝酸盐，它们需要更高的溶解氧浓度，至少5毫克每升，pH值在7.5到8.5之间效果最佳。只有这三类细菌都处于活跃状态，氮循环才能顺畅进行。
氮循环的正常运行需要严格的环境条件，任何一个关键参数的异常都可能导致整个循环系统崩溃。溶解氧是最关键的因素，当溶解氧低于3毫克每升时，好氧细菌活性急剧下降，甚至可能产生有毒的硫化氢。pH值异常也会严重影响细菌活性，当pH值低于6.5或高于9.0时，细菌生长受到抑制，同时还会影响氨氮的毒性形态转换。温度波动同样危险，低于20摄氏度或高于35摄氏度都会降低细菌活性，而突然的温度变化更可能造成大量有益菌死亡。此外，有机负荷过高会超出细菌的处理能力，同时消耗大量溶解氧，形成恶性循环。
人为管理不当是导致氮循环中断的主要原因。过量投饵是最常见的问题，多余的饲料在水中腐败分解，产生大量有机氮，超出了细菌的处理能力，同时快速消耗水中的溶解氧。换水不当也会造成严重后果，频繁大量换水会冲走已经建立的有益菌群，同时造成水质参数剧烈波动，破坏微生物平衡。消毒剂的滥用更是致命的，它不仅杀死病原菌，也会杀死维持氮循环的有益细菌，破坏生物滤床，需要重新花费大量时间建立菌群。底质恶化问题同样严重，有机物在池底堆积进行厌氧发酵，产生硫化氢等有毒气体，同时成为病原菌的温床。这些管理问题往往相互关联，形成恶性循环，最终导致氮循环完全中断。
当氮循环中断后，氨氮和亚硝酸盐在水体中快速累积，对南美白对虾造成致命伤害。氨氮的毒性主要表现在三个方面：首先是破坏虾鳃的组织结构，影响正常的气体交换；其次是阻碍血红蛋白的载氧能力，导致组织缺氧；最后是损害中枢神经系统，影响虾的正常行为。当氨氮浓度超过0.5毫克每升时，就会对虾造成致命威胁。亚硝酸盐的毒性机理更为复杂，它会与血红蛋白结合形成高铁血红蛋白，完全阻断氧气的传输，造成严重的组织缺氧。当亚硝酸盐浓度超过1.0毫克每升时，虾类就会出现大量死亡。这两种毒性物质的累积效应会导致虾的免疫力下降，抗病能力减弱，生长停滞，最终造成养殖失败。