У статті проведено комплексний аналіз гідрохімічного стану, оцінку динаміки та прогнозування трансформації нітрогенвмісних сполук у верхній течії річки Південний Буг в умовах інтенсивного антропогенного навантаження. Досліджено фізико-географічні та морфометричні особливості басейну, а також чинники формування сучасної екологічної ситуації в регіоні. Встановлено, що тотальна зарегульованість у поєднанні з високою щільністю населення та дифузним агрогенним змивом призвела до кардинальної зміни природного гідрологічного режиму та трансформації проточної системи на серію вразливих озерних екосистем. Виявлено хронічні перевищення нормативних концентрацій сполук азоту. Обґрунтовано складну фізико-хімічну природу токсичності амонію, що разом із нітритами й нітратами становить пряму загрозу для гідробіонтів та безпеки питного водопостачання. Визначено, що сповільнений водообмін та надходження антропогенних біогенів каталізують незворотну евтрофікацію водойм, дефіцит розчиненого кисню та деградацію унікальних біотопів Південнобузького екологічного коридору, занесених до Червоної книги України. За інтегральним Водним коефіцієнтом забруднення (WPI) та показниками ХСК якість води у верхній течії відповідає III («помірно забруднені») та IV («брудні») класам. Доведено недостатність традиційних методів моніторингу та обґрунтовано необхідність впровадження інтегрованого підходу із застосуванням математичного моделювання та аналізу великих даних для прогнозування просторово-часової трансформації азоту.