不同途径（不恰当排放、未经处理排放等）进入到水生生态系统中的污染物，通过影响水体的不同离子浓度、硬度、酸碱度、氮磷水平、氧化还原电势（Eh）等因子，从而改变水生生物生存所依赖的栖息地条件。同时，污染物直接作用于生物的不同水平（分子、生化、生理、细胞、组织、系统、个体、种群、群落），破坏水生生态系统的结构和功能。根据水体中污染物的分类，水污染生态效应主要包括水体酸化、水体富营养化、重金属的生物积累和放大、有机物污染的生态毒性。污染后，会影响生态系统的非生物组成（如沉积物、水化学特征等）和对各类生物造成毒害效应。

煤炭燃烧等导致的含硫废气进入到空气中，通过干、湿沉降进入到各种水体，从而造成水体酸化和pH降低。此外，农药及化肥的大量使用也会造成水体酸化。水体酸化会对水生生态系统造成严重破坏，主要表现在：①引起水体中自由离子浓度的升高，增加其生物有效性。②抑制水生生态系统中初级生产者的生长，降低水体的生产力，危害生物最基本的生存条件。③对初级消费者、次级消费者等食物链中各营养级生物造成直接影响，从而破坏水生生态系统食物链的完整性，影响到物种的繁殖及存活率、生物多样性及种群稳定性。④对污染物在食物链的传递造成影响，进而影响到食物链上层的各种生物。

生活污水、工业废水的大量排放及农业生产中化学肥料的使用，使水体中氮和磷等营养盐浓度升高，导致水体中各种藻类的大量繁殖，形成淡水生态系统的水华和海洋生态系统的赤潮现象。当藻类死亡及残体分解时，会过量消耗水中的溶解氧，并放出硫化氢，导致鱼类及其他水生动物缺氧后大量死亡，从而严重破坏水生生态系统的结构。

汞、镉、铅、铜、铬等是主要的重金属污染物，由于不能被微生物及其他方式降解，会长期存在于水生生态系统中，并对整个水生生态系统造成持久损害。水体中重金属可以对水生生态系统中的生物产生直接影响，也可以通过食物链传递，进而影响到各个营养级的生物。重金属在食物链传递过程中，水体中的重金属被藻类生物吸收浓缩，而沉积物中的重金属可以被底栖生物（如贝类）吸收。这些累积在低营养级的重金属可以通过食物链传递到更高营养级的生物体内，从而对生物体产生毒害作用并影响水生生态系统的稳定性。在此过程中，有些形态的重金属毒性可能会发生生物放大。如环境中的汞可以经微生物转化后形成毒性更大的甲基汞，甲基汞在食物链中传递并被生物放大，造成水生食物链顶层生物（如鸟类、鱼类）体内有机汞的含量升高，严重威胁这些生物的生存。如鸟蛋中甲基汞达0.0005‰～0.0015‰即可影响孵化率并造成畸形。如果鸟的肝、肾中汞含量超过0.03‰即可致死。如果人类食用了甲基汞超标的水产品（如甲基汞超标的鱼、虾、贝类等），健康则会受到威胁。

有机污染物，尤其是持久性有机污染物（POPs）对水生生物的生长和繁殖具有直接毒害作用。通常有机污染物会对生物体的神经系统、内分泌系统、生殖系统、循环系统等造成毒害效应，从而影响到个体在污染环境中的生存能力，并对物种种群的稳定性、生物多样性及生态系统的稳定性形成潜在的威胁。

农药和石油是两大类受到长期关注的有机污染物类型。20世纪50年代，在美国加利福尼亚州克利尔湖使用的有机氯农药滴滴涕（DDT）造成了湖中鱼类及湖区鸟类的大量死亡，甚至灭绝。石油污染是海洋生态系统的主要有机污染，是一种严重的海洋污染。石油污染来源主要有：①经河流向海洋注入的含油废水。②海上油船漏油、排放和事故。③海底油田开采溢漏。④逸入大气中的石油烃的沉降。特别是石油的泄漏事件时有发生，对海洋生态系统造成了严重危害。泄漏的石油先扩展成薄膜，阻碍大气、海水间的气体交换，油膜减弱了太阳辐射透入海水的强度，影响海洋植物的光合作用。高浓度石油会降低微型藻类的固氮能力，阻碍其生长，甚至致其死亡。沉降于潮间带、浅水海底的石油，使一些动物幼虫、海藻孢子失去适宜的固着基质。石油渗入大米草、红树等体内，改变细胞的渗透性。同时，油膜能溶解海洋动物皮毛及海鸟羽毛中的油脂物质，使其失去保温能力，并影响这些动物的游泳或飞行能力。