Các đồng vị nặng của các nguyên tố hóa học có các hành vi hóa học khác biệt rất nhỏ, nhưng đối với phần lớn các nguyên tố thì các khác biệt trong hành vi hóa học giữa các đồng vị là quá nhỏ để sử dụng, hoặc thậm chí là để phát hiện ra. Tuy nhiên, đối với hiđrô thì điều này là không đúng. Các hiệu ứng đồng vị hóa học lớn hơn được ghi nhận ở đơteri và triti là hiển nhiên do năng lượng liên kết trong hóa học được xác định trong cơ học lượng tử bằng các phương trình trong đó lượng khối lượng quy đổi của hạt nhân và các electron xuất hiện. Đại lượng này bị biến đổi trong các hợp chất chứa hiđrô nặng (trong đó đơteri ôxít là phổ biến và thông thường nhất) nhiều hơn so với các thay thế đồng vị nặng trong các nguyên tố khác. Hiệu ứng đồng vị này của hiđrô nặng được mở rộng xa hơn trong các hệ thống sinh học, là các hệ thống rất nhạy cảm trước các thay đổi nhỏ trong các tính chất dung môi của nước.

Nước nặng là chất hóa học duy nhất đã biết có ảnh hưởng tới chu kỳ của các dao động mỗi ngày một lần, làm tăng chúng một cách kiên định. Hiệu ứng được quan sát trong các sinh vật đơn bào, thực vật có lá xanh, động vật chân giống (Isopoda), côn trùng, chim, chuột và chuột nhảy. Cơ chế này hiện vẫn chưa rõ nguyên nhân[5].

Để thực hiện nhiệm vụ của mình, các enzym phải dựa vào các mạng liên kết hiđrô hòa hợp tinh vi của chúng, cả tại tâm hoạt hóa với các chất nền của chúng lẫn ngoài tâm hoạt hóa, để ổn định các cấu trúc không gian của chúng. Do liên kết hiđrô với đơteri là hơi mạnh hơn[cần dẫn nguồn] so với khi liên kết bằng hiđrô thường, nên trong môi trường giàu đơteri thì một số phản ứng thông thường trong tế bào bị phá vỡ.

Cụ thể bị tác động mạnh từ nước nặng là các tổ hợp tinh vi của sự hình thành thể chia sợi cần thiết cho phân chia tế bào của sinh vật nhân chuẩn. Thực vật ngừng phát triển và hạt không nảy mầm khi chỉ cung cấp cho chúng nước nặng, do nước nặng ngừng sự phân chia tế bào của sinh vật nhân chuẩn.

Tác động lên động vật

Các thực nghiệm đối với chuột nhắt, chuột cống và chó[6] đã chứng minh rằng mức độ 25% đơteri hóa gây ra (đôi khi là không thể đảo ngược) độ vô sinh, do cả giao tử lẫn hợp tử đều không thể phát triển. Nồng độ cao của nước nặng (90%) nhanh chóng giết chết cá, nòng nọc, giun dẹt và ruồi giấm (Drosophila spp.). Các động vật có vú như chuột cống được uống nước nặng sẽ chết sau khoảng 1 tuần, vào khi hiđrô của nước trong cơ thể chúng đạt ngưỡng khoảng 50% là đơteri. Kiểu chết tương tự như ở ngộ độc tế bào (chẳng hạn như ở hóa trị liệu) hoặc trong triệu chứng phóng xạ cấp tính (mặc dù đơteri là không phóng xạ), và là do tác động của đơteri trong việc ức chế phân chia tế bào nói chung. đơteri ôxít được sử dụng để tăng cường trị liệu bắt nơtron bo[6]. Nó có độc tính cao đối với các tế bào ác tính hơn là đối với tế bào thông thường nhưng hàm lượng cần thiết lại là quá cao đối với sử dụng đều đều[6]. Như ở hóa trị liệu, các động vật có vú ngộ độc đơteri chết do hư hỏng tủy xương (mất máu và nhiễm trùng) và các chức năng đường tiêu hóa (tiêu chảy và mất nước).

Mặc cho các vấn đề của thực vật và động vật khi phải sống với quá nhiều đơteri, các sinh vật nhân sơ như vi khuẩn (không có các vấn đề về thể chia sợi gây ra bởi đơteri) có thể sinh sôi nảy nở trong các điều kiện toàn đơteri, tạo ra kết quả là sự thay thế trọn vẹn các nguyên tử hiđrô trong protein và ADN của vi khuẩn bằng đồng vị đơteri[6]. Sự thay thế toàn bộ bằng các đồng vị nguyên tử nặng có thể xảy ra ở các sinh vật bậc cao bằng các đồng vị nặng không phóng xạ khác (như cacbon-13, nitơ-15 và ôxy-18), nhưng điều này không thể thực hiện để đối với đồng vị nặng ổn định của hiđrô.

Độc tính đối với người

Do cần phải có lượng nước nặng rất lớn để thay thế từ 25 tới 50% lượng nước trong cơ thể người (chiếm khoảng 70% trọng lượng cơ thể) bằng nước nặng, nên đầu độc ngẫu nhiên hay có chủ định bằng nước nặng là không thể nên trong thực tế thường là bỏ qua. Để ngộ độc, một lượng lớn nước nặng cần phải uống vào mà không có lượng đáng kể nước thường nào được đưa vào trong nhiều ngày để sinh ra các hiệu ứng ngộ độc đáng kể (mặc dù trong một ít thử nghiệm, những người tình nguyện uống một lượng khá lớn nước nặng đã thông báo là có triệu chứng chóng mặt, một hiệu ứng có thể là do thay đổi tỷ trọng của chất dịch trong tai trong). Ví dụ, một người cân nặng 70 kg chứa khoảng 50 kg nước và uống 3 lít nước nặng tinh khiết mỗi ngày, thì người này cần phải làm điều này gần 5 ngày để đạt được ngưỡng 25% đơteri hóa, và khoảng 11 ngày để đạt ngưỡng 50% đơteri hóa. Vì thế, phải mất 1 tuần chỉ uống nước nặng để bắt đầu cảm thấy ốm yếu, và 10-15 ngày (phụ thuộc lượng nước đưa vào) để ngộ độc trầm trọng và chết. Trong sự kiện nói chung khó có thể xảy ra là người nào đó đã nhận được một liều gây ngộ độc nước nặng, biện pháp xử lý là sử dụng thay thế nước theo đường ven (do rối loạn tiêu hóa và các vấn đề khác có thể xảy ra đối với sự hấp thụ các chất lỏng). Nó có thể thực hiện thông qua dung dịch clorua natri (dung dịch đẳng trương) 0,9% với các muối khác khi cần thiết, có thể là cùng với các thuốc lợi tiểu.

Liều lượng nước nặng theo đường miệng là trong khoảng vài gam, cùng với ôxy nặng O18, thông thường được sử dụng trong thực nghiệm trao đổi chất ở người. Xem thử nghiệm nước đánh dấu kép. Do một trong 6.400 nguyên tử hiđrô là đơteri, một người nặng 50 kg chứa 32 kg nước trong cơ thể thông thường chứa đủ lượng đơteri (khoảng 1,1 gam) để tạo ra 5,54 gam nước nặng tinh khiết, vì thế gần đúng liều lượng này là cần để nhân đôi lượng đơteri trong cơ thể.

Hoa Kỳ đã cấp bằng sáng chế số 5223269 để sử dụng nước nặng trong xử lý chứng tăng huyết áp (cao huyết áp). Tụt huyết áp có thể một phần nào giải thích các sự cố đã báo cáo về hoa mắt chóng mặt trong khi tiêu hóa.