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氮循环是水产养殖系统中最重要的生物化学过程。在这个循环中，氮元素以蛋白质、氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐等形式存在。蛋白质分解产生氨氮，氨氮被氧化为亚硝酸盐，亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，最后硝酸盐可被植物吸收或转化为氮气。这个循环过程直接影响水质和鱼类健康，是养殖管理的核心。
氮循环的转化过程可以分为四个主要阶段。首先，蛋白质在腐败细菌作用下分解产生氨氮。接着，亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐，这是亚硝化过程。然后，硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，完成硝化过程。最后，在缺氧条件下，反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气释放到大气中。每个步骤都需要特定的微生物参与，并受到溶解氧、温度、pH值等环境因子的影响。
硝化细菌是氮循环中的关键微生物。亚硝酸菌负责将有毒的氨氮氧化为亚硝酸盐，这个过程需要消耗大量溶解氧。硝酸菌则将亚硝酸盐进一步氧化为相对无害的硝酸盐。这两类细菌对环境条件要求严格，需要充足的溶解氧、适宜的pH值和温度。硝酸菌比亚硝酸菌更敏感，生长速度也更慢，因此在环境条件不佳时，容易出现亚硝酸盐积累的现象。维持硝化细菌的活性是保持水质稳定的关键。
氨氮超标是水产养殖中常见的水质问题。主要原因包括投饵过量导致蛋白质分解增加，养殖密度过高产生过多代谢废物，硝化细菌数量不足或活性低下，水体溶解氧不足影响硝化过程，pH值不适宜抑制细菌活性，以及水温过低或过高影响生化反应速度。这些因素往往相互影响，形成恶性循环，导致氨氮在水体中不断积累，超过鱼类的耐受限度，对养殖动物造成毒害作用。
亚硝酸盐超标是水产养殖中另一个严重的水质问题。主要原因是硝化过程不完全，即第一步硝化反应正常进行，亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐，但第二步硝化反应受阻，硝酸菌无法及时将亚硝酸盐转化为硝酸盐。这种情况常见于溶解氧浓度不稳定、硝化细菌群落结构失衡、有机物负荷过高或pH值波动的环境中。亚硝酸盐的积累对鱼类具有强烈的毒性作用，会与血红蛋白结合形成高铁血红蛋白，导致鱼类出现缺氧症状，严重时可致死。