Toxicological Profile for Plutonium

43 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
associations between mortality rates from noncancer respiratory tract diseases and exposure to plutonium 
among workers at these facilities. 
Possible associations between exposure to plutonium and pulmonary fibrosis was examined in a cohort of 
workers (n=326) at Rocky Flats (Newman et al. 2005).  The study assessed lung interstitial abnormalities 
from the most recent available x-rays in relation to estimated lung equivalent doses from plutonium.  
Estimated lung equivalent doses ranged from 0 to 28 Sv (approximately 73% <1 Sv).  The odds ratio 
(OR) (adjusted for age, smoking status, and evidence from pleural abnormalities from possible asbestos 
exposure) was significant for the dose group with lung equivalent doses ≥10 Sv (OR 5.3, 95% CI:  1.2– 
23.4).  The report of Newman et al. (2005) was based on scoring radiographs for the severity of chest 
abnormalities consistent with fibrosis, and did not include information regarding a possible association 
between these lung abnormalities and clinical symptoms of disease. 
Studies in Animals. 
Radiation pneumonitis has been observed following plutonium (primarily insoluble) 
aerosol exposure of dogs, nonhuman primates (monkeys and baboons), and rodents.  As discussed in 
Section 3.2.1.1, radiation pneumonitis was identified as primary, major contributing, or incidental cause 
of death in some dogs and nonhuman primates that inhaled 
238
PuO
2
, 
239
PuO
2
, or 
239
Pu(NO
3
)
4 
aerosols.  
Muggenburg et al. (2008) studied the effect of plutonium ILB and radiation dose on radiation 
pneumonitis in beagles as part of a plutonium lifespan composite study.  The relationship between 
pneumonitis induction and the cause of death was reported to be a function of the plutonium ILB, the 
resulting cumulative radiation dose, and the particle size to some extent.  Increased ILB and plutonium 
dose rate were associated with the fraction of animals with radiation pneumonitis as primary, major 
contributing, or incidental cause of death.  A trend was observed for the induction of radiation 
pneumonitis at lower ILBs in the 0.75 and 1.5 µm AMAD groups than in the 3 µm AMAD group.  At 
radiation doses sufficient to produce radiation pneumonitis, the resulting inflammation was a chronic 
symptom due to long-term retention of 
239
PuO
2 
in the lung.  As a result, 
239
PuO
2
-induced radiation 
pneumonitis was always associated with pulmonary fibrosis.  The radiation pneumonitis/pulmonary 
fibrosis progressively impaired lung function, including alveolar-capillary gas exchange, resulting in 
increases in respiratory rate, minute volume, arterial CO
2 
pressure, and lung stiffness, along with 
decreases in tidal volume and arterial O
2 
pressure.  Symptoms in order of decreasing frequency were 
tachypnea, increased breath sounds, body weight loss, anorexia, dyspnea, cyanosis, bradycardia, and 
discharge from the nose, eyes, or mouth.  Increasing radiation dose and dose rate corresponded to 

---

44 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
progressively shorter times to onset of symptoms and increased severity of effects (Muggenburg et al. 
2008). 
Results of inhalation toxicity studies in dogs show that the clinical course of radiation pneumonitis is 
similar following exposure to 
238
PuO
2 
or 
239
PuO
2
.  The typical initial presenting symptom of radiation 
pneumonitis is tachypnea (increased number of breaths per minute) with radiological evidence of 
pulmonary interstitial infiltrate.  Histopathological findings include interstitial pneumonia with alveolar 
epithelial hyperplasia, vasculitis, inflammatory cells infiltration, and pulmonary fibrosis (Muggenburg et 
al. 1996, 1999, 2008; Park et al. 1997).  Results of the ITRI and PNL studies indicate that radiation 
pneumonitis in the 
239
PuO
2
-exposed dogs occurred at lower initial lung burdens and had a shorter time to 
onset of symptoms (Muggenburg et al. 2008) compared to that observed in 
238
PuO
2
- or 
239
Pu(NO
3
)
4
-
exposed dogs.  This observation is consistent with toxicokinetic differences observed for inhaled 
plutonium compounds, showing that inhaled 
239
PuO
2 
is cleared from the lung more slowly than 
238
PuO
2 
and 
239
Pu(NO
3
)
4 
(see Section 3.4, Toxicokinetics). 
Exposure of Dogs to 
238
PuO
2
. 
In the ITRI 
238
PuO
2 
dog studies, the first symptom of radiation 
pneumonitis (tachypnea) was observed at approximately 600 days after initial exposure (Muggenburg et 
al. 1996).  Pulmonary function tests performed periodically over several years on a subgroup of dogs with 
radiation pneumonitis (mean initial lung burden 28 kBq/kg) showed progressive changes in lung function 
including decreased dynamic lung compliance, decreased CO diffusing capacity, increased alveolar-
arterial pO
2
, pulmonary edema (a near terminal event), and decreased arterial pO
2 
(terminal event).  
Pulmonary interstitial or septal fibrosis was observed at necropsy in all dogs with radiation pneumonitis; 
severity was dose-related.  Radiation pneumonitis was the primary cause of death in eight dogs with 
initial lung burdens of 8.3–45 kBq/kg (Muggenburg et al. 1996).  Similar observations were reported in 
the PNL studies on 
238
PuO
2
, with chronic radiation pneumonitis observed in dogs with initial lung 
burdens ≥0.28 kBq/kg (Park et al. 1997). 
Exposure of Dogs to 
239
PuO
2
. 
Chronic radiation pneumonitis also was observed in the ITRI and PNL 
dogs exposed to 
239
PuO
2 
aerosols.  In the ITRI studies, tachypnea was first observed in cases of nonfatal 
radiation pneumonitis approximately 1 year after exposure (Muggenburg et al. 1988).  Morphological 
changes to the lung included alveolar epithelial hyperplasia and interstitial fibrosis (Muggenburg et al. 
2008).  Radiation pneumonitis was observed in dogs dying from 0.3 to 11.7 years after inhaling 
239
PuO
2
, 
with the time to death inversely related to initial lung burden (Hahn et al. 1999; Muggenburg et al. 1999, 
2008).  The lowest initial lung burden causing fatal radiation pneumonitis was 1.0 kBq/kg (Muggenburg 

---