Toxicological Profile for Plutonium

Figure 3-4.  Reaction of Gases or Vapors at Various Levels of the
 
Gas-Blood Interface
 
Airway 
Uptake 
Gas or Vapor 
Convection 
Lumen 
Diffusion 
Airway 
Reaction 
Gas/Vapor 
Fluid 
Product 
Reaction 
Bound 
Tissue 
Gas/Vapor 
Product 
Material 
S
b 
Reaction 
Blood 
Gas/Vapor 
Product 
Blood 
Source:  ICRP 1994b 
96 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 

---

97 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
Table 3-7.  Reference Values of Parameters for the Compartment Model to
 
Represent Time-dependent Particle Transport from the
 
Human Respiratory Tract
 
Part A
 
Clearance rates for insoluble particles 
Pathway 
From 
To 
Rate (d
-1
) 
Half-life
a 
m
1,4 
AI
1 
bb
1 
0.02 
35 days 
m
2,4 
AI
2 
bb
1 
0.001 
700 days 
m
3,4 
AI
3 
bb
1 
1x10
-4 
7,000 days 
m
3,10 
AI
3 
LN
TH 
2x10
-5 
No data 
m
4,7 
bb
1 
BB
1 
2 
8 hours 
m
5,7 
bb
2 
BB
1 
0.03 
23 days 
m
6,10 
bb
seq 
LN
TH 
0.01 
70 days 
m
7,11 
BB
1 
ET
2 
10 
100 minutes 
m
8,11 
BB
2 
ET
2 
0.03 
23 days 
m
9,10 
BB
seq 
LN
TH 
0.01 
70 days 
m
11,15 
ET
2 
GI tract 
100 
10 minutes 
m
12,13 
ET
seq 
LN
ET 
0.001 
700 days 
m
14,16 
ET
1 
Environment 
1 
17 hours 

---

98 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
Table 3-7.  Reference Values of Parameters for the Compartment Model to
 
Represent Time-dependent Particle Transport from the Human
 
Respiratory Tract
 
Part B
 
Partition of deposit in each region between compartments
b 
Fraction of deposit in region 
Region or deposition site 
Compartment 
assigned to compartment
c 
ET
2 
ET
2 
0.9995 
ET
seq 
0.0005 
BB 
BB
1 
0.993-f
s 
BB
2 
f
s 
BB
seq 
0.007 
bb 
bb
1 
0.993-f
s 
bb
2 
f
s 
bb
seq 
0.007 
AI
 
AI
1 
0.3 
AI
2 
0.6 
AI
3 
0.1 
a
The half-lives are approximate since the reference values are specified for the particle transport rates and are rounded in units of
 
days
-1 
.  A half-life is not given for the transport rate from Al
3 
to LN
TH
, since this rate was chosen to direct the required amount of
 
material to the lymph nodes.  The clearance half-life of compartment Al
3 
is determined by the sum of the clearance rates.
 
b
See paragraph 181, Chapter 5 (ICRP 1994b) for default values used for relating f
s 
to d
ae
.
 
c
It is assumed that f
s 
is size-dependent.  For modeling purposes, f
s 
is taken to be:
 
f
s 
= 
0. 5 for d 
ae 
≤ 
2 . 5 
ρ 
/ 
χ µ
m  and 
f
= 
0. 5 e 
0 . 63 (d
ae
ρ / χ −2. 5 )
s 
for d 
ae 
> 
2 . 5 
ρ 
/ 
χ µ
m 
where 
f
s 
= 
fraction subject to slow clearance 
d
ae 
= 
aerodynamic particle diameter/(μm) 
ρ 
= 
particle density (g/cm
3
) 
χ 
= 
particle shape factor 
AI = alveolar-interstitial region; BB = bronchial region; bb = bronchiolar region; BB
seq 
= compartment representing prolonged 
retention in airway walls of small fraction of particles deposited in the bronchial region; bb
seq 
= compartment representing prolonged 
retention in airway walls of small fraction of particles deposited in the bronchiolar region; ET = extrathoracic region; ET
seq 
= 
compartment representing prolonged retention in airway tissue of small fraction of particles deposited in the nasal passages; GI = 
gastrointestinal; LN
ET 
= lymphatics and lymph nodes that drain the extrathoracic region; LN
TH 
= lymphatics and lymph nodes that 
drain the thoracic region 
Source:  ICRP 1994b 

---

99 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
Particle transport from all regions is toward both the lymph nodes and the pharynx, and a majority of 
deposited particles end up being swallowed.  In the front part of the nasal passages (ET
1
), nose blowing, 
sneezing, and wiping remove most of the deposited particles.  Particles remain here for about a day.  For 
particles with AMADs of a few micrometers or greater, the ET
1 
compartment is probably the largest 
deposition site.  A majority of particles deposited at the back of the nasal passages and in the larynx (ET
2
) 
are removed quickly by the fluids that cover the airways.  In this region, particle clearance is completed 
within 15 minutes. 
Ciliary action removes deposited particles from both the bronchi and bronchioles.  Though it is generally 
thought that mucociliary action rapidly transports most particles deposited here toward the pharynx, a 
fraction of these particles is cleared more slowly.  Evidence for this is found in human studies.  For 
humans, retention of particles deposited in the lungs (BB and bb) is apparently biphasic.  The “slow” 
action of the cilia may remove as much as half of the bronchi- and bronchiole-deposited particles.  In 
human bronchi and bronchiole regions, mucus moves more slowly when it is closer to the alveoli.  For the 
faster compartment, it has been estimated that it takes about 2 days for particles to travel from the bron-
chioles to the bronchi and 10 days from the bronchi to the pharynx.  The second (slower) compartment is 
assumed to have approximately equal fractions deposited between BB
2 
and bb
2
, with both fractions 
having clearance half-times estimated at 20 days.  Particle size is a primary determinant of the fraction 
deposited in this slow thoracic compartment.  A small fraction of particles deposited in the BB and bb 
regions is retained in the airway wall for even longer periods (BB
seq 
and bb
seq
). 
If particles reach and become deposited in the alveoli, they tend to stay imbedded in the fluid on the 
alveolar surface or move into the lymph nodes.  Coughing is the one mechanism by which particles are 
physically resuspended and removed from the AI region.  For modeling purposes, the AI region is divided 
into three subcompartments to represent different clearance rates, all of which are slow. 
In the alveolar-interstitial region, human lung clearance has been measured.  The ICRP model uses 2 half-
times to represent clearance:  about 30% of the particles have a 30-day half-time, and the remaining 70% 
are assigned a half-time of several hundred days.  Over time, AI particle transport falls, and some 
compounds have been found in lungs 10–50 years after exposure. 
Absorption into Blood. 
The ICRP model assumes that absorption into blood occurs at equivalent 
rates in all parts of the respiratory tract, except in the anterior nasal passages (ET
1
), where no absorption 
occurs.  It is essentially a 2-stage process, as shown in Figure 3-5.  First, there is a dissociation 

---