Решением Европейской экологической комиссии ООН в группу наиболее опасных тяжелых металлов выделены ртуть, свинец, кадмий, хром, марганец, никель, кобальт, ванадий, медь, железо, цинк, сурьма, а также типичные металлоиды мышьяк и селен.
В природных водах атомы тяжелых металлов присутствуют в различных ионных и молекулярных формах. Железо, хром и марганец могут быть представлены также разными валентными состояниями. Выделяют три формы, в которых атомы тяжелых металлов мигрируют в водных средах: истинно растворенная, взвешенная и коллоидная. Валентное состояние атомов этих элементов и формы их соединений в природных водах определяются совокупностью различных факторов и процессов (химических и биотических, гидрологических и гидродинамических).
Наиболее важными химическими процессами являются окисление, восстановление, гидролиз и комплексообразование. В окислении и восстановлении лидирующую роль в водных экосистемах обычно играют энзиматические реакции в клетках микроорганизмов различных таксономических групп.
Гидролитические процессы приводят к образованию моно- и полиядерных гидроксокомплексов. Интенсивность гидролиза зависит от общей концентрации атомов металлов в воде, рН среды и конкурирующих процессов. Многие двухвалентные металлы образуют устойчивые при рН 5—11 гидроксокомплексы типа [Ме(ОН)]-, [Ме(ОН)2], [Ме2(ОН)]+3 [Ме2(ОН)6]2. Лигандами в комплексах могут быть не только анионы гидроксила, но и молекулы воды [Ме(Н2О)6]2+ или другие доступные в данной среде анионы: [Ме(НСО3)] [Ме(СОз)], [Ме(Н2О)5С1]+.
Важную роль в миграции атомов тяжелых металлов играют растворенные в воде органические соединения — гуминовые и фульвокислоты, аминокислоты и белковоподобные вещества и (отчасти) углеводы. В природных поверхностных водах высокой цветности в качестве основных миграционных форм выступают комплексы с гумусовыми компонентами. В составе этих нерегулярных полимеров выявлены многочисленные группировки, которые участвуют в связывании ионов металлов