Тяжелые металлы, в отличие от органических соединений, способны лишь перераспределяться между природными средами. Чаще всего в исследованиях воздействия металлов на природную среду определяют их валовое содержание и по нему судят об опасности воздействия, что не является корректным. Необходимо дифференцировать формы металлов в зависимости от химического состава и физико-химических свойств: окисленные, восстановленные, метилированные, хелатированные, комплексные и другие.
Наибольшую опасность представляют лабильные формы, характеризующиеся высокой биохимической активностью и способные аккумулироваться в природных средах. Для каждого металла существует свой механизм токсического действия, обусловленный конкуренцией между необходимыми и токсичными металлами за места связывания в белковых молекулах. Изменение электронно-зарядового равновесия изменяет конфигурацию макромолекул и их свойства.
В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной форме (ртуть). Из атмосферы металлы вымываются с осадками, в которых присутствуют в растворимой (соли, комплексные ионы) и малорастворимой формах. Ртуть, кроме элементной формы, находится в виде диметилртути и ртутных солей. В атмосферных осадках преобладают водорастворимые формы металлов, что обусловлено наличием в атмосфере оксидов азота и серы. Среднее содержание свинца в осадках для урбанизированных районов 0,44 мкг/л.
В водных средах тяжелые металлы присутствуют в трех формах: взвешенной, коллоидной и растворенной. Растворимая форма представлена в виде свободных ионов и комплексных соединений с неорганическими (галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты) и органическими лигандами (комплексы гуминовых и фульвокислот). Комплексы сорбируются на взвешенных частицах и накапливаются в донных отложениях. Доля ртутных комплексов составляет 50% от общего содержания ртути. На содержание элементов в воде большое влияние оказывают процессы гидролиза. В частности, для свинца наиболее характерна гидроксоформа. Концентрация свинца в воде до 10 мкг/л, поскольку ионы свинца легко реагируют с примесями в воде с образованием нерастворимых соединений, которые переносятся во взвешенной форме (до 98%).
Коллоидные формы образуются вследствие адсорбции растворенных веществ на коллоидных частицах глинистых минералов и гумусовых веществах.
В конечном итоге тяжелые металлы концентрируются в придонных осадках. Практически нацело неорганические формы металлов превращаются в органические, что представляет серьезную опасность для биоты. Планктон концентрирует свинец в 12000, кобальт - в 16000, медь - в 90000 раз. Вследствие этого, концентрация тяжелых металлов в воде становится незначительной.