Des études utilisant du deutérium et de l'eau lourde ont montré qu'ils ont des effets négatifs sur le système immunitaire : une quantité accrue de deutérium dans l'organisme diminue le nombre de leucocytes dans le sang et affaiblit la capacité de l'organisme à répondre aux facteurs perturbateurs.

Des expériences sur des rongeurs ont montré qu'une concentration de deutérium de 25 % dans l'eau corporelle provoque la stérilité, car ni les gamètes ni les zygotes ne peuvent se développer. De fortes concentrations d'eau lourde tuent rapidement les poissons, les amphibiens et les insectes.

Les petits mammifères, tels que les rongeurs, meurent après environ une semaine s'ils boivent de l'eau lourde. La cause du décès est similaire à celle d'un empoisonnement cytotoxique (dans le cas d'une chimiothérapie) ou d'un syndrome de radiothérapie aiguë.