Toxicological Profile for Plutonium

80 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
postexposure period represents a translocation rate of approximately 0.32% per year.  Redistribution of 
plutonium from other soft tissue is expected to contribute to increased skeletal content over time as well. 
Considerable effort and progress has been made in developing models that simulate the distribution and 
elimination kinetics of absorbed plutonium.  These models are described in greater detail in Section 3.4.5. 
Organ Distribution of Absorbed Plutonium in Animals
.  Numerous studies conducted in various animal 
models, including nonhuman primates, rodents, and dogs, provide additional evidence for distribution of 
absorbed plutonium to thoracic lymph nodes, liver, and skeleton, following inhalation exposures to 
plutonium aerosols (Bair et al. 1962b, 1966; Buldakov et al. 1972; Dagle et al. 1986; Guilmette et al. 
1984; Lataillade et al. 1995; Mewhinney and Diel 1983; Morin et al. 1972; Muggenburg et al. 2008; 
Nenot et al. 1972; Park et al. 1972; Sanders 1973; Sanders and Mahaffey 1979; Sanders et al. 1977).  
These observations are consistent with the larger body of observations of the distribution of plutonium 
following parenteral administration of plutonium compounds (Bair et al. 1973; DOE 1989; Vaughan et al. 
1973). 
Studies conducted in animals have also shown that particle size and physical and chemical form of 
inhaled plutonium influence both the kinetics and patterns of tissue distribution of plutonium.  
Muggenburg et al. (2008) showed that, for monodisperse particles of 0.75, 1.5, or 3.0 µm AMAD, the 
smallest particles were most rapidly removed from the lungs during the first few hundred days. 
Thereafter, removal of the larger particles was more rapid than that of the smaller particles; this trend 
persisted past 6,000 days.  The rate of particle distribution from the lung was greatest to the skeleton 
followed by liver and spleen.  Activity (as percent ILB) in the skeleton increased to 1% at 6,000 days.  
Activity in the liver reached 10% at 1,500 days and slowly decreased thereafter.  Activity in the spleen 
reached 0.2% at 1500 days and likewise slowly decreased afterward.  Activity in the kidney initially 
reached 0.002% and then slowly decreased.  In general, exposures to more insoluble forms of Pu (e.g., 
PuO
2
) result in distribution (percent of ILB) of plutonium from the lungs to thoracic lymph nodes 
comparable to that of the liver and greater compared to that of more soluble Pu(IV) complexes (e.g., 
citrate, nitrate) (Bair et al. 1966, 1973; DOE 1988b, 1989; Morin et al. 1972; Muggenburg et al. 2008; 
Park et al. 1972).  The highest concentrations of plutonium in lymph nodes were observed initially in 
thoracic lymph nodes.  Levels in selected lymph nodes increased to 10% ILB after 500 days (thoracic 
lymph nodes), 10% ILB at 6,000 days (mediastinal lymph nodes), 1% ILB at 2,000 days (hepatic lymph 
nodes), 0.1% ILB at 6,000 days (sternal lymph nodes), and 0.01% ILB at 300 days (retropharyngeal 
lymph nodes) (Muggenburg et al. 2008).  Whereas plutonium concentrations in the thoracic lymph nodes 
of 
239
PuO
2
-exposed dogs remain high during lifetime observation, Mewhinney and Diel (1983) 

---

81 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
demonstrated that the concentrations in the thoracic lymph nodes of 
238
PuO
2
-exposed dogs rapidly 
increased to peak levels (approximately 10% of the initial lung burden) within the first year postexposure, 
then declined to <5% of the initial lung burden during the next 3 years.  This difference in retention of 
plutonium by the thoracic lymph nodes is thought to result from radiation fragmentation and subsequent 
dissolution of the resulting smaller 
238
Pu particles, lymphatic transport to systemic circulation, and 
subsequent deposition principally in liver and skeleton (Mewhinney and Diel 1983).  The method used to 
produce PuO
2 
also appears to affect the distribution of inhaled plutonium oxide.  Distribution to thoracic 
lymph nodes, bone, and liver was greater when exposure was to chemically prepared oxides or to air-
oxidized or low-fired plutonium compared to the high-fired forms (Bair et al. 1973; Sanders and 
Mahaffey 1979). 
Distribution of PuO
2 
from the respiratory tract and associated lymph nodes is affected by the size of the 
particles initially deposited in the lung.  Larger particle sizes (e.g., 2–4 μm MMD) deposited in the 
alveolar region of the lung undergo less extensive mucociliary transport to the gastrointestinal tract and 
more extensive transfer into bronchial lymph nodes (Bair et al. 1962b, 1973; Guilmette et al. 1984).  On 
the other hand, transfer to extra-respiratory tissues is augmented with decreasing particle size (e.g., <2 μm 
mass median diameter [MMD]) (Bair et al. 1973; DOE 1989).  Plutonium deposited in lung from 
exposure to 
238
PuO
2 
or 
239
Pu(NO
3
)
4 
is rapidly and more extensively distributed to extra-respiratory tissues 
than is 
239
PuO
2 
(Dagle et al. 1983, 1996; Guilmette et al. 1984; Park et al. 1997).  For example, 
1,000 days after beagles were exposed to aerosols of similarly sized particles of 
238
PuO
2 
or 
239
PuO
2
, liver 
and skeletal burdens (fraction of initial lung burden) were approximately 100 times higher in dogs 
exposed to 
238
PuO
2
, and lung burdens were approximately 3–5 times higher in dogs exposed to 
239
PuO
2 
(Guilmette et al. 1984; Park et al. 1997).  The isotope effect is thought to result from the relatively high 
specific activity of 
238 
Pu, which contributes to radiolytic fragmentation of Pu-containing particles in lung 
and lymph nodes, augmenting transport and distribution to lymph and blood (Bair et al. 1973; Diel and 
Mewhinney 1983).  The distribution kinetics of inhaled 
239
Pu(NO
3
)
4 
more closely resemble those of 
238
PuO
2 
than 
239
PuO
2 
(Dagle et al. 1983, 1996; Park et al. 1995). 
Distribution of inhaled 
239
PuO
2 
to bone is influenced by age.  In immature dogs, a 5-fold increase in 
distribution to the bone was seen compared to that in young adult dogs (DOE 1986c).  These observations 
are consistent with similar observations made following parenteral administration of Pu(IV) (Bruenger et 
al. 1991a) and reflect higher bone turn-over in juveniles (see Distribution within Bone). 

---