Metale ciężkie zbiór metali i półmetali charakteryzujących się dużą gęstością, często także właściwościami toksycznymi. W naukach zbliżonych do biologii i medycyny termin metale ciężkie jest na ogół używany w odniesieniu do metali i półmetali używanych w przemyśle i jednocześnie odznaczających się toksycznością dla człowieka lub środowiska. Pierwiastkami takimi są m.in. arsen, miedź, kadm, ołów, rtęć, cynk, chrom, nikiel i selen.

Toksyczne działanie powyższych metali wiąże się m.in. ze zdolnością do kumulacji w organizmie, w tym w kościach, nerkach, i mózgu. Ich sole oraz tlenki mogą być przyczyną groźnych zatruć ostrych i przewlekłych, chorób układu krążenia, układu nerwowego, nerek, chorób nowotworowych. Część metali ciężkich nie wchłania się do organizmu w postaci pierwiastkowej.

Arsen (As, łac. arsenicum) – pierwiastek chemiczny z grupy metaloidów. Występuje w skorupie ziemskiej w ilości 2,5 ppm (zajmując 20. miejsce pod względem rozpowszechnienia wśród pierwiastków). Do naturalnych źródeł arsenu w przyrodzie zalicza się erupcje wulkanów (około 17 000 ton rocznie) i (w mniejszym stopniu) ługowanie arsenu ze skał osadowych i magmowych. Jako źródła antropogeniczne wymienia się: uboczną emisję w wyniku procesów wydobycia i hutnictwa rud metali nieżelaznych (około 61 000 ton rocznie), spalanie paliw kopalnianych (głównie węgla brunatnego i kamiennego). Mimo iż arsen jest jednym z mikroelementów, to jego nadmiar powoduje niezwykle silne zatrucia. Wszystkie związki arsenu, mniej lub bardziej, posiadają właściwości protoplazmatyczne (niszczą ściany komórkowe bakterii) i rakotwórcze. Arsen zakłóca również procesy enzymatyczne w komórkach, hamując enzymy zależne od NAD. Toksyczność związków arsenu zależy jednak od formy w jakiej są przyjmowane. związki org. As5+ o toksyczności znacznie przewyższającej słynny arszenik (LD50=35mg/kg). Ostre zatrucia arsenem i jego związkami pojawiają się od 0,5-30 godzin od intoksykacji i charakteryzują się zaburzeniami ze strony układu nerwowego, ostrym podrażnieniem żołądkowo-jelitowym i obniżeniem ciśnienia krwi. Pojawia się również krwiomocz i żółtaczka. Objawy zatrucia przewlekłego występują zwykle po kilku latach. Mogą nimi być liczne nowotwory skóry, płuc, nerek, wątroby, a niekiedy i pęcherza moczowego. Sam długotrwały kontakt skóry z pyłem arsenowym może wywołać kilkanaście odmian nowotworu skóry. Bardzo często jednak przewlekłe zatrucia doprowadzają jedynie do zwykłych zmian skórnych – rogowacenie, przebarwienia, zapalenia skórne, a w przypadku zatrucia drogą pokarmową – podrażnienie i stany zapalne układu pokarmowego. Jako ciekawostkę można dodać fakt, iż dłuższe przyjmowanie małych dawek związków arsenu wywołuje wzrost odporności na zatrucia ostre tymi substancjami. Pewien minimalny odsetek ludzi posiada również wrodzoną odporność na pochodne arsenu.

Miedź (Cu, łac. cuprum) – pierwiastek chemiczny, z grupy metali przejściowych układu okresowego. Występuje w skorupie ziemskiej w ilościach 55 ppm. W naturze występuje w postaci rud oraz w postaci czystej jako minerał - miedź rodzima. Miedź występuje powszechnie w wielu organizmach roślinnych i zwierzęcych. Szczególnie dużo jest jej w wołowinie, sałacie, grzybach, owocach morza (ostrygi, homary), gotowanych podrobach, ale można ją znaleźć również w chlebie gruboziarnistym, warzywach strączkowych, owocach awokado i kiwi. Dużą zawartość miedzi ma także nasienie ssaków. Jako mikroelement jest niezbędna dla życia wielu organizmów, biorąc udział m.in. w fotosyntezie i oddychaniu, jednak niektóre giną już przy bardzo niskich jej stężeniach. Dotyczy to np. skrętnicy, choć inne glony też są stosunkowo wrażliwe na obecność jonów miedziowych w wodzie, przez co sole miedzi mogą być stosowane jako algicydy[2]. Miedź jest mikroelementem występującym w centrach aktywnych wielu enzymów. Potrzebna jest do tworzenia się krwinek czerwonych, wchodzi w skład hemocyjaniny, wpływa pozytywnie na błonę otaczającą komórki nerwowe, bierze udział w przesyłaniu impulsów nerwowych. Wchodzi w skład enzymu o działaniu przeciwutleniającym, zwanego dysmutazą ponadtlenkową, chroniącego błony komórkowe przed wolnymi rodnikami. Ponadto bierze udział w tworzeniu tkanki łącznej (wiązania krzyżowe w cząsteczkach kolagenu i elastyny katalizowane przez oksydazę lizylową) i syntezie prostaglandyn, związków zwanych hormonami miejscowymi, wpływających między innymi na czynność serca i ciśnienie tętnicze krwi. U fotoautotrofów wchodzi w skład plastocyjaniny. Spożywanie nadmiaru miedzi prowadzić może do zaburzeń pokarmowych i uszkodzenia wątroby. Może to mieć miejsce w przypadku spożywania wody pitnej o niskiej twardości lub niskim pH dostarczanej miedzianą instalacją wodociągową (woda taka wypłukuje miedź z instalacji). Dawka śmiertelna miedzi zawarta jest w około 30 g siarczanu miedzi. Znośne górne spożycie wynosi 10 mg/dzień dla dorosłych. Objawy zatrucia są podobne do zatrucia arszenikiem. W przypadku podejrzenia zatrucia podaje się albuminę jako mleko lub białko jaj.

Kadm (Cd, łac. cadmium) - pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych układu okresowego. Minerałem tego pierwiastka, bez znaczenia przemysłowego, jest np. grenokit (CdS) i monteponit (CdO), ale jest zwykle uzyskiwany jako produkt uboczny przy produkcji cynku. Stanowi 0,00005% masy skorupy ziemskiej. Kadm jest pierwiastkiem niezwykle toksycznym (wielokrotnie bardziej niż arsen). Uszkadza nerki - niszczy kłębuszki i kanaliki nerkowe, powoduje anemię, choroby kostne (osteoporozę), zaburzenia powonienia, białkomocz. Zmniejsza wydzielanie insuliny, zwiększa utlenianie lipidów (co prowadzi do zwiększonego wytwarzania wolnych rodników). Oddziałuje też niekorzystnie na układ krążenia. Kadm odkłada się również w łożysku matek palących w czasie ciąży lub w inny sposób narażonych na wyższe stężenia tego metalu. Może on zmieniać funkcję i strukturę łożyska zaburzając rozwój płodu. Podawanie związków kadmu ciężarnym samicom szczurów powodowało ciężkie wady u potomstwa, takie jak brak oczu, wodogłowie, przepuklinę mózgową, brak kości śródstopia. Stwierdzono również u szczurów rakotwórcze działanie kadmu. Kadm może również zaburzać obieg niezbędnych mikroelementów, takich jak żelazo, miedź, magnez, wapń, selen, cynk. W ten sposób Kadm może upośledzać różne procesy zachodzące w organizmie, np.: fosforylację oksydacyjną, aktywny transport jonów sodowych i potasowych, metabolizm węglowodanów. W organizmie, kadm jest wiązany przez tioninę - białko wiążące toksyczne metale - tworząc nietoksyczną metalotioninę. Ostre, śmiertelne zatrucia kadmem występują gdy jego stężenie w powietrzu jest większe niż 40 mg/m3, po godzinie, lub po spożyciu od 350 do 3500 mg kadmu. Kadm kumuluje się zazwyczaj w nerkach i wątrobie, u mężczyzn może też znajdować się w jądrach.

Ołów (Pb, łac. plumbum) – pierwiastek chemiczny, metal z bloku p w układzie okresowym. Ołów występuje w skorupie ziemskiej w ilości 0,6 ppm. Sole i tlenki tego pierwiastka są trucizną kumulującą się w organizmie. Toksyczne skutki działania ołowiu na organizm ludzki określa się nazwą ołowica. Zaabsorbowane związki ołowiu przenikają do krwiobiegu, gdzie ołów wbudowuje się do czerwonych krwinek. Ołów silnie wiąże się z wieloma biopolimerami, takimi jak: białka, enzymy, RNA, DNA. w ten sposób ulega zaburzeniu wiele przemian metabolicznych. Skutkami toksyczności są: zaburzenia tworzenia krwi, nadciśnienie tętnicze, neuropatia, a także uszkodzenia mózgu. Udowodniono wchłanianie ołowiu przez skórę. Alkilowe związki ołowiu łatwiej wchłaniają się przez skórę niż nieorganiczne związki ołowiu. Sam ołów jest substancją toksyczną. Po wprowadzeniu go do organizmu pojawia się znużenie, zmęczenie, porażenie mięśni, szara obwódka wokół zębów, kolka ołowicza. Jednocześnie występuje białkomocz, krwiomocz oraz zaburzenia mózgowe. Leczenie jest głównie szpitalne i polega na podawaniu odtrutek i wysokich dawek witaminy B1 i B12.

Rtęć (Hg, łac. hydrargyrum, z gr. ὑδράργυρος hydrargyros) – pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych w układzie okresowym (uznana za pierwiastek przez Lavoisiera). Rtęć jest jedynym metalem występującym w warunkach normalnych w stanie ciekłym. Rtęć występuje w skorupie ziemskiej w ilości 0,05 ppm. Dawka progowa rtęci, czyli stężenie uważane za bezpieczne wynosi 0,05 mg Hg na m³ powietrza, dlatego rozlana rtęć stanowi potencjalne niebezpieczeństwo zatrucia. Rtęć i większość jej związków jest silnie toksyczna i stanowi częste zanieczyszczenie środowiska. Jeżeli dostanie się do środowiska wodnego, mikroorganizmy metylują ją i w ten sposób powstaje związek metaloorganiczny – dimetylortęć. Jest on rozpuszczalny w tłuszczach, a zarazem bardzo toksyczny i trwały – jest to główna postać rtęci, która przedostaje się do organizmów żywych i kumuluje się w nich. Rtęć w środowisku w postaci dimetylortęci była przyczyną kilku przypadków masowego skażenia środowiska.

Rtęć wchłania się również przez drogi oddechowe w postaci par. Z płuc dostaje się do krwi, gdzie wnika do erytrocytów, w których jest utleniana. Pewne ilości rtęci wnikają też do mózgu i przenikają przez barierę łożyskową do krwi płodu. Wchłonięta w ten sposób rtęć wydala się z moczem i w niewielkim stopniu z kałem. Kumuluje się w nerkach uszkadzając je. Toksyczność rtęci polega na niszczeniu błon biologicznych i łączeniu się z białkami organizmu. W ten sposób rtęć zakłóca wiele niezbędnych do życia procesów biochemicznych. Ostre zatrucie parami rtęci wywołuje zapalenie płuc i oskrzeli prowadzące niekiedy do śmiertelnej niewydolności oddechowej. Inne objawy to: krwotoczne zapalenie jelit, niewydolność krążenia, zapalenie błony śluzowej jamy ustnej. Uszkodzeniu ulegają również nerki i układ nerwowy. Spożycie związków rtęci powoduje ślinotok, wymioty, krwawą biegunkę, martwicę błony śluzowej jelit. Pojawia się również pieczenie w przełyku. Podobnie jak w zatruciu drogą oddechową uszkodzone zostają nerki. Zatrucie przewlekłe małymi ilościami rtęci powoduje początkowo niespecyficzne objawy takie jak ból głowy i kończyn, osłabienie. W późniejszym czasie dochodzi do zapaleń błon śluzowych przewodu pokarmowego, wypadania zębów i wystąpienia charakterystycznego niebiesko-fioletowego rąbka na dziąsłach. Obserwuje się też postępujące uszkodzenia OUN: zaburzenia snu, upośledzenie koncentracji, zaburzenia pamięci, zmiany w osobowości. Później pojawiają się drżenia rąk i nóg, niezborność chodu. Charakterystycznym objawem jest zmiana charakteru pisma na tzw. "drżące pismo". W zatruciu przewlekłym również obserwuje się uszkodzenie nerek.

Cynk (Zn, łac. zincum) - pierwiastek chemiczny, metal przejściowy z grupy cynkowców w układzie okresowym. Występuje w skorupie ziemskiej w ilości 75 ppm w postaci minerałów. W produktach żywnościowych duże ilości związków cynku znajdują się w ostrygach, chudym mięsie, drobiu i rybach. Dostarczają go również kasze i chleb pełnoziarnisty. Jest obecny w centrach aktywnych wielu (około 200) enzymów uczestniczących w różnych procesach, w tym w przemianach metabolicznych. Ponadto wiele czynników transkrypcyjnych, białek regulatorowych i innych typów białek wiążących DNA zawiera tzw. palce cynkowe. W związku z tym cynk ma wpływ na wszystkie podstawowe procesy życiowe. Bierze udział między innymi w mineralizacji kości, gojeniu się ran, wpływa na pracę układu odpornościowego, prawidłowe wydzielanie insuliny przez trzustkę oraz na stężenie witaminy A i cholesterolu. Ma swój udział w regulacji ciśnienia krwi i rytmu serca. Jest też niezbędny przy syntezie związków regulujących wzrost i rozwój roślin. Cynk zwiększa produkcję plemników. Jego minimalne dzienne spożycie wynosi 5 mg, zalecane 15-20 mg. Wchłanianie z pokarmu jest regulowane hormonalnie i zależy od zapotrzebowania (zwiększa się w stanach niedoboru). Białka zwierzęce i kwas cytrynowy ułatwiają absorpcję cynku, natomiast żelazo i miedź utrudniają ją.