Важкі метали відносяться до пріоритетних забруднюючих речовин,спостереження за якими обов'язкові у всіх середовищах.

Термін важкі метали, що характеризує широку групу забруднюючихречовин, отримав останнім часом значного поширення. У різних наукових і прикладних роботах автори по-різному трактують значення цього поняття. У зв'язку з цим кількість елементів, що відносяться до групи важких металів, змінюється в широких межах. В якості критеріїв приналежності використовуються численні характеристики: атомна маса, густина, токсичність, поширеність в природному середовищі, ступінь залучення до природні та техногенні цикли. У деяких випадках під визначення важких металів потрапляють елементи, пов'язані з крихким  (наприклад, вісмут) або Металоїди (наприклад, миш'як).

У роботах, присвячених проблемам забруднення навколишнього природного середовищата екологічного моніторингу, на сьогоднішній день до важких металів відносять більше 40 металів періодичної системи Д.І. Менделєєва з атомною масою більше 50 атомних одиниць: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn,  Hg, Pb, Bi і ін

При цьому важливу роль у визначенні важких металів грають наступні умови: їх висока токсичність для живих організмів у відносно низьких концентраціях, а також здатність добіоакумуляції і біомагніфікаціі. Практично всі метали, які потрапляють під це визначення (за винятком свинцю, ртуті, кадмію та вісмуту, біологічна роль яких на даний момент не зрозуміла), беруть активну участь біологічних процесах, входять до складу багатьох ферментів. За класифікації Н. Реймерс, важкими слід вважати метали з густиною більше 8 г/см3. Таким чином, до важких металів відносяться Pb, Cu, Zn, Ni,  Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.

Формально визначенням важкі метали відповідає велика кількість елементів. Однак, на думку дослідників, зайнятих практичною діяльністю, пов'язаною з організацією спостережень за станом і забрудненням навколишнього середовища, сполуки цих елементів далеко нерівнозначні як забруднюючі речовини. Тому в багатьох роботах відбувається звуження рамок групи важких металів, відповідно до критеріїв пріоритетності, зумовленими напрямом і специфікою робіт.

Згідно з рішенням Цільової групи по викидах важких металів, що працює під егідою Європейської Економічної Комісії ООН та що займається збором і аналізом інформації про викиди забруднюючих речовин в європейських країнах, тільки Zn, As, Se і Sb були віднесені до важких металів. За визначенням М. Реймерс окремо від важких металів стоять благородні та рідкісні метали, відповідно, залишаються тільки Pb, Cu, Zn,  Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. У прикладних роботах до числа важких металів найчастіше додають Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn.

Іони металів є неодмінними компонентами природних водойм. Залежно від умов середовища (pH, окислювально-відновлювальний потенціал,наявність лігандів) вони існують у різних ступенях окиснення і входять доскладу різноманітних неорганічних і металорганічних сполук, які можуть бути істинно розчиненими, колоїдно-дисперсними або входитидо складу мінеральних і органічних суспензій.

Істинно розчинені форми металів, у свою чергу, дуже різноманітні, що пов'язано з процесами гідролізу, гідролітичною полімеризацією і комплексоутворенням з різними лігандами. Відповідно, як каталітичні властивості металів, так і доступність для водних мікроорганізмів залежать від форм існування їх у водній екосистемі.

Багато метали утворюють досить міцні комплекси з органічною речовиною; ці комплекси є однієї з найважливіших форм міграції елементів у природних водах. Більшість органічних комплексів досить стійкі. Комплекси, утворені грунтовими кислотами із солями заліза, алюмінію, титану, урану, ванадію, міді, молібдену та інших важких металів, відносно добре розчинні в умовах нейтрального, слабокислого і слаболужного середовищ. Тому комплекси металів з органічними речовинами здатні мігрувати в природних водах на досить значні відстані.

  Для розуміння факторів, які регулюють концентрацію металу в природних водах, їх хімічну реакційну здатність, біологічну доступність і токсичність, необхідно знати не тільки валовий вміст, але і частку вільних і зв'язаних форм металу.

Звязування металів у водному середовищі в комплексні сполуки має три наслідки:  1. може відбуватися збільшення сумарної концентрації іонів металу за рахунок переходу його в розчин з донних відкладень;  2. мембранна проникність комплексних іонів може істотно відрізнятися від проникності гідратованих іонів;  3. токсичність металу внаслідок комплексоутворення може сильно змінитися.

Так, хелатні форми Cu, Cd, Hg менш токсичні, ніж вільні іони.  Для розуміння факторів, які регулюють концентрацію металу в природних водах, їх хімічну реакційну здатність, біологічну доступність і токсичність, необхідно знати не тільки валовий вміст, а й частку зв'язаних і вільних форм [34].

Джерелами забруднення вод важкими металами слугують стічні води гальванічних цехів, підприємств гірничодобувної, чорної та кольорової металургії, машинобудівних заводів. Важкі метали входять до складу добрив і пестицидів і можуть попадати у водойми разом зі стоком з сільськогосподарських угідь.

Підвищення концентрації важких металів у природних водах часто пов'язане з іншими видами забруднення, наприклад, з закисленням. Випадання кислотних опадів сприяє зниженню значення рН і переходу металів з сорбованої на мінеральних та органічних речовинах стану в вільний.  Насамперед становлять інтерес ті метали, які найбільшою мірою забруднюють атмосферу у зв'язку з використанням їх у значних обсягах в виробничої діяльності і в результаті нагромадження в зовнішньому середовищі представляють серйозну небезпеку з точки зору їх біологічної активностіі токсичних властивостей. До них відносять свинець, ртуть, кадмій, цинк, вісмут,кобальт, нікель, мідь, олово, сурму, ванадій, марганець, хром, молібден імиш'як.

| |

Ванадій

Ванадій знаходиться переважно в розсіяному стані івиявляється в залізних рудах, нафтах, асфальтах, бітумах, горючих сланцях, вугіллі та ін. Одним з головних джерел забруднення природних вод ванадієм є нафта та продукти її переробки.

У природних водах зустрічається в дуже малій концентрації: у воді річок  0.2 - 4.5 мкг/дм³, в морській воді - в середньому 2 мкг/дм³.

У воді утворює стійкі аніонні комплекси (V₄O₁₂) ^{4 -} і (V₁₀O₂₆) ^{6 -}. Уміграції ванадію істотна роль розчинених комплексних сполук його зорганічними речовинами, особливо з гумусовими кислотами.

Підвищені концентрації ванадію шкідливі для здоров'я людини. ГДК ванадію складає 0.1 мг/дм³ (лімітуючий показник шкідливості --санітарно-токсикологічний), ГДКвр - 0.001 мг/дм³.

Вісмут

Природними джерелами надходження вісмуту в природні води є процеси вилуговування вісмутвмісних мінералів. Джерелом надходження до природні води можуть бути також стічні води фармацевтичних і парфумерних виробництв, деяких підприємств скляної промисловості.

У незабруднених поверхневих водах міститься в субмікрограммових концентраціях. Найбільш висока концентрація виявлена в підземних водах і складає 20 мкг/дм³, у морських водах - 0.02 мкг/дм³. ГДКв складає 0.1мг/дм³

Залізо

Головними джерелами сполук заліза в поверхневих водах є процеси хімічного вивітрювання гірських порід, що супроводжуються їх механічним руйнуванням і розчиненням. У процесі взаємодії , що містяться в природних водах мінеральними і органічними речовинами утворюється складний комплекс сполук заліза, що знаходяться у воді в розчиненому, колоїдному і зваженому стані. Значні кількості заліза надходять з підземним стоком і зі стічними водами підприємств металургійної, металообробної, текстильної, лакофарбово їпромисловості й із сільськогосподарськими стоками.

Фазові рівноваги залежать від хімічного складу вод, рН, Eh і деякою мірою від температури. У рутинному аналізі у зважену форму виділяють частки з розміром більше 0.45 мкм. Вона являє собою переважно залізовмісні мінерали, гідрат оксиду заліза та сполуки заліза, сорбованих на суспензії. Істинно розчинену і колоїдну форму зазвичай розглядають спільно. Розчинене залізо представлене сполуками, що знаходяться в іонної формі, у вигляді гідроксокомплекса і комплексів з розчиненими неорганічними та органічними речовинами природних вод. У іонної формі мігрує головним чином Fe (II), а Fe (III) під час відсутності комплексоутворюючих речовин не може в значних кількостях перебувати в розчиненому стані.

Залізо виявляється в основному у водах з низькими значеннями Eh.

У результаті хімічного й біохімічного (при участі залізобактерій)окислення Fe (II) переходить в Fe (III), який, гідролізуясь, випадає в осад у вигляді Fe (OH) 3. Як для Fе (II), так і для Fe (III) характерна схильність до утворення гідроксокомплексов типу [Fe (OH) ₂]^+, [Fe₂ (OH) ₂] ^4+,  [Fe (OH) ₃] ₊, [Fe₂ (OH) ₃] ^{3 +,} [Fe (OH) _3] - і інших, що співіснують в розчині в різних концентраціях залежно від рН і в цілому визначають стан системи залізо-гідроксил. Основною формою знаходження Fe (III) в поверхневих водах є комплексні сполуки його з розчиненими неорганічними та органічними сполуками, головним чином гумусовими речовинами. При рН = 8.0 основною формою є Fe (OH) ₃. Колоїдна форма заліза найменш вивчена, вона являє собою гідрат оксиду заліза Fe (OH) ₃ і комплекси з органічними речовинами.

Вміст заліза в поверхневих водах суші складає десяті частки міліграма, поблизу боліт - одиниці міліграмів. Підвищений вміст заліза спостерігається в болотних водах, в яких воно знаходиться у вигляді комплексів із солями гумінових кислот - гуматів. Найбільші концентрації заліза (до декількох десятків і сотень міліграмів у 1 дм³) спостерігаються в підземних водах з низькими значеннями рН.

Будучи біологічно активним елементом, залізо певною мірою впливає на інтенсивність розвитку фітопланктону і якісний склад мікрофлори у водоймі.

Концентрація заліза схильна до помітних сезонних коливань. Зазвичай у водоймах з високою біологічною продуктивністю в період літньої і зимової стагнації помітно збільшення концентрації заліза в придонних шарах води.  Осінньо-весняне перемішування водних мас (гомотермія) супроводжується окисленням Fe (II) в Fе (III) і випаданням останнього у вигляді Fe (OH) ₃.

Вміст заліза у воді вище 1-2 мг Fe/л значно погіршує органолептичні властивості, надаючи їй неприємний терпкий смак, і робить воду малопридатною для використання в технічних цілях. ГДКв заліза становить 0.3 мг Fe/дм³ (лімітуючий показник шкідливості --органолептичний), ПДКвр для заліза - 0.1 мг/дм ³

Кадмій

У природні води надходить при вилуговування грунтів, поліметалічних і мідних руд, в результаті розкладання водних організмів, здатних його накопичувати. Сполуки кадмію виносяться в поверхневі води зі стічними водами свинцево-цинкових заводів, рудозбагачувальних фабрик, ряду хімічних підприємств (виробництво сірчаної кислоти), гальванічного виробництва, а також із шахтними водами. Зниження концентрації розчинених сполук кадмію відбувається за рахунок процесів сорбції, випадання в осад гідроксиду і карбонату кадмію та споживання їх водними організмами.

Розчинені форми кадмію в природних водах є головним чином мінеральні та органо-мінеральні комплекси. Основною зваженою формою кадмію є його сорбовані сполуки. Значна частина кадмію може мігрувати в складі клітин гідробіонтів.

У річкових незабруднених і слабозабруднених водах кадмій утримується в субмікрограммових концентраціях, у забруднених і стічних водах концентрація кадмію може досягати десятків мікрограмів в 1 дм³.

Сполуки кадмію відіграють важливу роль у процесі життєдіяльності тварин і людини. У підвищених концентраціях токсичний, особливо в поєднанні з іншими токсичними речовинами.

ГДКв становить 0.001 мг/дм³, ПДКвр - 0.0005 мг/дм³ (- токсикологічний).