Toxicological Profile for Plutonium

60 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
standardized mortality ratio [SMR]=96; 95% CI:  1.26–536).  Similarly the lower 95% confidence limit 
on the mortality rate ratio for bone cancer was >1.  Standard mortality ratios and mortality rate ratios for 
other deaths were not statistically significant. 
A larger cohort study was examined for cancer mortality in Los Alamos workers (n=15,527 males) 
employed at the facility during the period 1943–1973 (Wiggs et al. 1994).  From this larger cohort, a 
subset (n=3,775) had been monitored for plutonium exposure and, on that basis, were identified as 
plutonium workers in the study.  Mortality incidence rates for plutonium workers who were estimated to 
have internal plutonium depositions ≥74 Bq (n=303) were compared to workers with depositions <74 Bq 
(n=3,472).  Cancer mortality rate ratios were not statistically significant (e.g., all cancers, cancers of the 
respiratory tract or lung, bone, or lymphopoietic and hematopoietic systems). 
Workers at the Hanford plutonium production and processing facility have been examined for possible 
associations between cancer mortality and exposure to ionizing radiation (Gilbert et al. 1989b; Wing and 
Richardson 2005; Wing et al. 2004).  Gilbert et al. (1989b) examined mortality in association with 
external radiation exposure and internal plutonium among workers at the Hanford plant.  From the total 
cohort of workers (n=31,500), a subset of workers who had confirmed plutonium depositions (n=457) 
were identified.  The cohort was stratified into exposure categories based internal depositions relative the 
maximum permissible body burden (MPBB) at that time (1,480 Bq):  no evidence of deposition, 
deposition <5% of MPBB (<74 Bq), or deposition ≥5% of MPBB.  Approximately 30% of the confirmed 
depositions were between 5 and 99% of the MPBB (74–1,465 Bq) and 1.3% were ≥100% of the MPBB. 
The study found no evidence for statistically significant excess cancer mortality or trends in cancer 
mortality with external radiation or Pu internal deposition (i.e., for all cancers, or cancers of the digestive 
tract, lung, lymphatic and hematopoietic tissues, or prostate).  Wing et al. (2004) examined mortality in 
association with duration of engagement in plutonium-associated jobs as a surrogate for plutonium 
exposure or dose estimates.  From the total cohort of workers (n=26,389), subsets of workers who had 
activities in routine plutonium-associated jobs (n=3,065) or nonroutine jobs (n=8,266) were identified (of 
these, only 377 had confirmed systemic plutonium deposition).  Workers in the plutonium-associated jobs 
category had lower death rates from all cancers, cancers of the lung, and “plutonium-cancers” (lung, liver, 
bone, and connective tissue) than other Hanford workers.  However, a significant trend for increased 
mortality from nonexternal causes of death with increasing duration at routine plutonium-associated jobs 
was observed (1.1% increase in mortality per year, standard error [SE]=0.06).  When stratified by age, the 
trend was stronger among workers ≥50 years of age (2.0±1.1% per year), compared to ages <50 years 
(0.1±0.9% per year).  The strongest trend was for lung cancer (7.1±3.4% per year). 

---

61 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
Studies in Animals. 
Consistent with findings from human epidemiological studies, results of animal 
studies show that tissue location of plutonium-induced cancer is compound dependent.  Compound-
related differences in cancer location reflect differences in distribution of plutonium following inhalation; 
a significant amount of plutonium from the relatively soluble 
238
PuO
2 
and 
239
Pu(NO
3
)
4 
compounds is 
distributed to bone and liver.  In contrast, the relatively insoluble 
239
PuO
2 
is primarily retained within the 
lungs and associated lymph nodes (DOE 1987f, 1988a), with approximately 10, <1, 0.2, and 0.002% 
relocating to liver, skeleton, spleen, and kidney, respectively (Muggenburg et al. 2008) (see Section 3.4, 
Toxicokinetics).  Experiments in the ITRI and PNL dogs provide the most extensive database on 
radiation-induced cancer following inhalation exposure to plutonium.  Information on plutonium-induced 
cancer as a primary cause of death is reviewed in Section 3.2.1.1. 
In addition, Muggenburg et al. (2008) provided evidence against the “hot particle” theory, which 
hypothesized that larger particles with higher activity and less uniform distribution might be more likely 
to cause cancer than smaller, more uniformly dispersed particles.  The authors exposed dogs to three 
uniform sizes of plutonium particles (0.75, 1.5, and 3.0 µm AMAD, representing activities spanning more 
than 2 orders of magnitude from 0.048 to 7.7 mBq) and conducted a composite lifespan study.  They 
found that smaller and more uniformly distributed particles have the same or greater potential to produce 
neoplasms than less uniformly distributed larger particles. 
Exposure of Dogs to 
238
PuO
2
. 
Bone tumors (predominantly osteosarcomas) were the primary cause of 
cancer deaths in dogs exposed once to 
238
PuO
2 
aerosols; lung tumor incidences were also relatively high 
in these dogs and liver tumors appeared to be a contributing cause of death in a few 
238
PuO
2
-exposed dogs 
(Muggenburg et al. 1996; Park et al. 1997).  In the ITRI study (Muggenburg et al. 1996), initial 
238
Pu lung 
burdens ranged from 0.15 to 43.1 kBq/kg.  Incidences of bone, lung, and liver tumors as the cause of 
death were 93/144, 36/144, and 2/144 dogs, respectively.  The tumors appeared beginning at about 
3 years postexposure; liver tumors appeared later than bone and lung tumors.  In the PNL study (Park et 
al. 1997), mean initial 
238
Pu lung burdens ranged from 0.01 to 18.9 kBq/kg.  Incidences of bone, lung, and 
liver tumors were 34/116 (29%), 31/116 (27%), and 8/116 (7%), respectively.  More deaths were due to 
bone tumors than lung tumors, although the average cumulative alpha radiation dose to the lung was 
higher than that to the skeleton.  Bone tumors occurred more frequently in the axial skeleton than in the 
appendicular skeleton (Park et al. 1997).  One of 20 control dogs was euthanized due to lung tumors and 
1 control dog had a nonfatal liver tumor.  Most lung tumors in the 
238
PuO
2
-exposed ITRI and PNL dogs 
were located in peripheral lung, rather than central airways, and the majority were classified as 

---