Toxicological Profile for Plutonium

56 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
Collectively, the Mayak studies provide evidence for increased risk of cancer mortality (bone, liver, lung) 
in association with increased internal plutonium-derived radiation dose and/or body burden, with 
approximately 4-fold higher risks in females compared to males.  Four studies estimated lung cancer 
mortality risk among Mayak workers and yielded similar estimates of excess relative risk per Gy of 
internal lung dose.  Gilbert et al. (2004) estimated the excess lung cancer mortality risk (per Gy attained at 
age 60 years) for essentially the entire cohort of Mayak workers (n=21,790) to be approximately 4.7 per 
Gy (95% CI:  3.3–6.7) in males, and 19 per Gy (95% CI:  9.5–39) in females.  Adjustment for smoking, 
based on risk estimates in subgroups for which smoking data were available, decreased these estimates 
only slightly:  males, 3.9 per Gy (95% CI:  2.6–5.8); and females, 19 (95% CI:  7.7–51).  Cancer mortality 
risk was linearly related to plutonium radiation dose.  Excess relative risk per Gy declined strongly with 
attained age (Gilbert et al. 2004).  Kreisheimer et al. (2003) examined lung cancer mortality risk for a 
subset of male Mayak workers (n=4,212) and estimated smoking-adjusted excess relative risk to be 
4.50 per Gy (95% CI:  3.15–6.10).  Jacob et al. (2005) used a mechanistic (i.e., multi-stage physiological) 
model to estimate smoking-adjusted lung cancer mortality risk in a similar cohort (n=5,058) and found 
the excess relative risk to be 0.11 per Sv (95% CI:  0.08–0.17); the corresponding estimate in units of 
absorbed radiation dose would be 2.2 per Gy (assuming a radiation weighting factor of 20 for 

-radiation).  An alternative model that treated smoking as a multiplicative risk factor (rather than 
additive), yielded an estimated excess relative risk of 0.21 per Sv (95% CI:  0.15–0.35), which 
corresponds to approximately 4.3 per Gy, very close to the estimates from Gilbert et al. (2004) and 
Kreisheimer et al. (2003).  Sokolnikov et al. (2008) estimated ERRs of 7.1 per Gy (95% CI:  4.9–10) in 
males and 15 per Gy (95% CI:  7.6–29) in females at attained age of 60 years among 5,572 of the Mayak 
workers with confirmed plutonium exposure.  A significant dose-response was noted and lung cancer risk 
was reasonably described by a linear function.  The ERR declined with attained age and age at first 
plutonium exposure. 
Risks of mortality and morbidity from bone and liver cancers have also been studied in Mayak workers 
(Gilbert et al. 2000; Koshurnikova et al. 2000; Shilnikova et al. 2003; Sokolnikov et al. 2008; Tokarskaya 
et al. 2006).  Increasing estimated plutonium body burden was associated with increasing cancer 
mortality, with higher risk in females compared to males.  Gilbert et al. (2000) examined liver cancer 
mortality in a cohort of Mayak workers (n=11,000).  Mean plutonium body burdens for the cohort were 
estimated to have been 3.78 kBq in males and 6.05 kBq in females.  The corresponding absorbed 
radiation doses to liver were 0.47 Gy in males and 0.88 Gy in females.  A model in which liver cancer 
risk was treated as a quadratic function of plutonium body burden achieved better fit to the data than a 
linear model.  Relative risk for liver cancer for the entire cohort was estimated to be 17 (95% CI:  8.0–26) 

---

57 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
in association with plutonium body burdens >7.4 kBq; however, when stratified by gender, the relative 
risk estimate for females was 66 (95% CI:  16–45) and higher than for males (9.2; 95% CI:  3.3–23).  
Risk of bone cancer mortality in this same cohort (n=11,000) was estimated to be 7.9 (95% CI:  1.6–32) 
in association with plutonium body burdens >7.4 kBq for males and females combined (Koshurnikova et 
al. 2000).  Risks of leukemia mortality, in the same cohort, were not associated with internal plutonium 
exposure (Shilnikova et al. 2003).  Liver cancer risk was examined in a case-control study of Mayak 
workers (Tokarskaya et al. 2006).  The case group consisted of histologically-confirmed cases of 
malignant liver tumors (n=44) diagnosed during the period 1972–1999.  These were matched to members 
of a control group (n=111) for years of birth, gender, years of hire, and job assignments.  Estimated 
absorbed radiation doses to the liver from plutonium ranged from 0 to 16.9 Gy (the 4
th 
quartile range was 
0.54–16.9 Gy).  When stratified by absorbed radiation dose to the liver, the odds ratio for liver cancer was 
11.3 (95% CI:  3.6–35.2) for subjects who experienced >2.0–5.0 Gy (relative to 0–2.0 Gy).  Odds ratios 
for hemangiosarcomas were 41.7 (95% CI:  4.6–333) for the dose group >2.0–5.0 Gy, and 62.5 (95% CI: 
7.4–500) for the dose group >5.0–16.9 Gy.  Sokolnikov et al. (2008) reported averaged-attained age 
ERRs for liver cancer of 2.6 per Gy (95% CI:  0.7–6.9) for males and 29 per Gy (95% CI:  9.8–95) for 
females, and averaged-attained age ERRs for bone cancer of 0.76 per Gy (95% CI:  <0–5.2) for males and 
3.4 per Gy (95% CI:  0.4–20) for females.  Elevated risks for bone cancer were observed only for workers 
with plutonium doses exceeding 10 Gy.  For lung and bone cancer, the ERR declined with attained age, 
and for lung cancer, the ERR declined with age at first plutonium exposure. 
U.K. Atomic Energy Authority and Atomic Weapons Establishment Workers.  S
tudies of mortality of 
plutonium workers at U.K. facilities are summarized in Table 3-2 (Carpenter et al. 1998; McGeoghegan et 
al. 2003; Omar et al. 1999).  Although several studies have examined mortality rates in workers at the 
Sellafield nuclear facility (Douglas et al. 1994; McGeoghegan et al. 2003; Omar et al. 1999; Smith and 
Douglas 1986), the McGeoghegan et al. (2003) and Omar et al. (1999) studies attempted to estimate risks 
in association with plutonium exposures, as opposed to radiation exposures, in general.  Omar et al. 
(1999) identified a cohort of plutonium workers as a subset (n=5,203) of workers who had been 
monitored at any time for exposure to plutonium (e.g., urinalysis).  An analysis of monitoring data on 
these subjects provided estimates of internal uptakes of plutonium (Omar et al. 1999).  Cumulative 
internal uptakes were estimated to range from 0 to 12 kBq, with approximately 75% of the cohort having 
cumulative uptakes ≤250 Bq.  Cumulative radiation dose equivalents for plutonium were estimated to be 
approximately 3,280 Sv for bone surfaces, 44.5–896 Sv for lung, and 421 Sv for liver; however, analyses 
of dose trends were of the combined dose equivalents from plutonium and external radiation.  In a 
comparison of mortality rates for plutonium workers compared to other radiation workers (i.e., those 

---