Toxicological Profile for Plutonium

74 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
The relatively long retention kinetics of inhaled plutonium particles in the lung is thought to reflect, in 
part, rates of physical transformation and dissolution of the particles.  Various estimates have been made 
for these rates, based on modeling of data on urinary excretion and tissue burdens of plutonium following 
inhalation exposures (James et al. 2003; Khokhryakov et al. 2005).  Based on an analysis of data from 
535 autopsies of plutonium workers, particle dissolution half-times were estimated to range from 
approximately 5–6 years, for exposures to highly insoluble plutonium oxides, to 1–2 years for exposures 
to more soluble forms (e.g., plutonium nitrate; Khokhryakov et al. 2005).  James et al. (2003) estimated 
the lung dissolution half-time to be approximately 7 years in a subject who inhaled PuO
2 
ceramic 
particles. 
Absorption of inhaled PuO
2 
has been studied in various nonhuman primate species (Brooks et al. 1992; 
LaBauve et al. 1980; Lataillade et al. 1995; Metivier et al. 1974, 1978b; Stanley et al. 1982).  Observed 
lung retention kinetics were biphasic.  The slow-phase retention half-time in baboons exposed to 
238
PuO
2 
(count median aerodynamic diameter [CMAD]=2.1 μm±1.3 standard deviation [SD]) was estimated to be 
approximately 400 days (range:  200–600 days), based on measurements made during the first 30– 
170 days after exposure (Metivier et al. 1974); however with longer observation periods (>200– 
300 days), the half-time was estimated to be approximately 1,000 days (Metivier et al. 1978b).  Lataillade 
et al. (1995) estimated the lung retention half-time in baboons that inhaled an aerosol of an industrial 
PuO
2 
(AMAD=1.9 μm1.7 SD) consisting primarily of 
239
Pu and 
240
Pu (≈94 w%, 0.2 w% 
238
Pu); the 
estimated half-time was approximately 66 days, for an observation period of 180 days.  Slow-phase lung 
retention half-times measured in Cynomolgus monkeys exposed to an aerosol of 
239
PuO
2 
(AMAD=1.6 μm; GSD=1.6) ranged from 300 to 1,800 days (LaBauve et al. 1980).  In Rhesus monkeys 
exposed to 
239
PuO
2 
from industrial ball milling processes (AMAD=1.5 μg±1.6 SE), the slow-phase lung 
retention half-time was estimated to be approximately 300 days (Stanley et al. 1982).  Lung plutonium 
burdens have also been measured at various times in Cynomolgus monkeys exposed to aerosols of 
239
Pu(NO
3
)
4 
(AMAD=06 μm; GSD=2.1); based on these data, the slow-phase retention half-time was 
approximately 200–300 days (Brooks et al. 1992). 
Numerous studies have examined the lung deposition and kinetics of absorption of inhaled plutonium in 
dogs (Bair et al. 1962b; Dagle et al. 1996; Guilmette et al. 1984, 1987; Mewhinney and Diel 1983; 
Muggenburg et al. 1996; Park et al. 1997).  Inhaled aerosols of 
238
PuO
2 
were more rapidly cleared from 
the lung than aerosols of 
239
PuO
2 
of similar particle size distributions (Guilmette et al. 1984; Park et al. 
1997).  This difference has been attributed to radiolytic fragmentation of particles in the lung, resulting in 
more enhanced particle dissolution and absorption from the lung (Mewhinney and Diel 1983).  Lung 

---

75 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
retention half-times following exposure of young adult beagles to aerosols of 
239
PuO
2 
(AMAD=1.6 μm1.2 SD) were 86 days (32%) and 1,386 days (Guilmette et al. 1984).  In comparison, 
lung retention half-times following exposure of young adult beagles to aerosols of 
238
PuO
2 
(AMAD=1.8 μm1.9 SD) were 174 days (84%) and 908 days (Park et al. 1997).  The corresponding 
times to achieve 50% of initial lung burdens are approximately 500 days for exposure to 
239
PuO
2 
and 
250 days for exposure to 
238
PuO
2 
(Park et al. 1997).  Mewhinney and Diel (1983) analyzed data on lung 
retention in beagles exposed to 
238
PuO
2 
of various particle sizes (AMAD 0.7, 1.7, 2.7 μm) in order to 
estimate fragmentation rates of the deposited particles.  Estimated fragmentation rates appeared to 
increase with time after exposure and particle size.  Corresponding fragmentation half-times at 100 days 
postexposure were 100–250 days and, at 500 days postexposure were 50–120 days.  Particle size (AMAD 
0.7–2.7 μm) had little effect on long-term lung retention (Mewhinney and Diel 1983).  In beagles, short-
term (i.e., <1 month) lung retention of inhaled 
239
PuO
2 
was influenced by aerosol particle size 
distribution, with faster clearance from the lung as particle size decreased (Bair et al. 1962b).  Long-term 
lung retention in beagles is also influenced by particle size.  In beagles that were exposed to 
239
PuO
2
, the 
slow phase lung retention half-times were 700 days (90%, AMAD=0.9 μm1.4 SD), 1,400 days (68%, 
AMAD=1.6 μm1.2 SD), and 1,800 days (78%, AMAD=2.8 μm1.2 SD) (Guilmette et al. 1984).  The 
method used to produce PuO
2 
also appears to affect the absorption of inhaled PuO
2
.  Oxides produced at 
high temperature (i.e., high-fired, e.g., 1,000 °C) had longer lung retention than oxides produced at low 
temperature (i.e., low-fired, e.g., 350 °C) (Bair et al. 1973). 
Inhaled aerosols of 
238
Pu(NO
3
)
4 
are also more rapidly cleared from the lung than aerosols of 
239
Pu(NO
3
)
4 
(Dagle et al. 1983, 1996).  In beagles, this difference was most pronounced in the first 30 days 
postexposure, during which approximately 80% of the initial lung burden from 
238
Pu(NO
3
)
4 
was cleared 
compared to approximately 40% from 
239
Pu(NO
3
)
4
.  Retention half-times were similar (≈130–150 days) 
for the two isotopes, for observations extending from 30 days to 1 year. 
3.4.1.2   Oral Exposure 
Absorption of plutonium accumulated in shellfish (mollusks) has been studied in humans.  Adult subjects 
ingested winkles (six males, two females) or cockles (five males, one female) containing 
239,240
Pu that 
were collected from marine waters near the British Nuclear Fuels facility at Sellafield, Cumbria (Hunt 
1998; Hunt et al. 1986, 1990).  The range of the ingested activity of 
239+240
Pu was 6–16 Bq.  Serial 
24-hour urine samples were collected from each subject for up to 7 days after they ingested the mollusks. 
The fraction of the activity absorbed was estimated as the ratio of the observed cumulative urinary 

---