Toxicological Profile for Plutonium

67 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
Table 3-4.  Genotoxicity of Plutonium In Vivo 
Species (test system)  End point
 
Results 
Reference 
Mammalian systems: 
Human (peripheral 
Chromosomal aberrations 
+ 
Schofield 1980
 
blood lymphocytes)
 
Human (peripheral 
Chromosomal aberrations 
(+)
 
Brandom et al. 1990; Hande et al. 
blood lymphocytes)
 
2003, 2005; IAEA 1979; Livingston et 
al. 2006; Mitchell et al. 2004; 
Okladnikova et al. 2005; Tawn et al. 
1985; Whitehouse et al. 1998 
Human (whole blood)  Chromosomal aberrations 
–
 
Hempelmann et al. 1973; Voelz et al. 
1979 
Monkey (peripheral 
Chromosomal aberrations 
+ 
Brooks et al. 1992; LaBauve et al. 
blood lymphocytes) 
1980 
Mouse (testes) 
Chromosomal aberrations 
+
 
Beechey et al. 1975; Generoso et al. 
1985; Pomerantseva et al. 1989 
Mouse (testes) 
Chromosomal aberrations 
–
 
Brooks et al. 1979; Searle et al. 1976 
Mouse (bone marrow)  Chromosomal aberrations 
+
 
Svoboda et al. 1987 
Chinese hamster 
Chromosomal aberrations 
– 
Brooks et al. 1979
 
(testes)
 
Chinese hamster 
Chromosomal aberrations 
+ 
IAEA 1976b, 1976e
 
(liver cells)
 
Chinese hamster 
Chromosomal aberrations 
+ 
DOE 1976
 
(blood cells)
 
Syrian hamster (lung  Chromosomal aberrations 
+ 
Stroud 1977
 
cells)
 
Mouse (pulmonary 
Micronuclei 
+ 
Talbot et al. 1986, 1989
 
alveolar
 
macrophages)
 
Mouse (male germ 
Dominant lethal 
+ 
IAEA 1976k; Lüning et al. 1976;
 
cells) 
Pomerantseva et al. 1989
 
Mouse (male germ 
Dominant lethal 
– 
Searle et al. 1976
 
cells)
 
Mouse (ovaries) 
Dominant lethal 
(+)
 
Searle et al. 1982 
– = negative result; + = positive result; (+) = positive or marginal result 

---

68 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
Table 3-5.  Genotoxicity of Plutonium In Vitro 
Result 
With 
Without 
Species (test system) 
End point 
activation  activation  Reference 
Mammalian cells: 
Human (peripheral blood 
Chromosomal 
No data 
+ 
Purrott et al. 1980 
lymphocytes) 
aberrations 
Human (lymphoblastic cell 
Chromosomal 
No data 
+ 
DOE 1980h 
line) 
aberrations 
Mouse (10T1/2, 3T3 cells) 
Chromosomal 
No data 
+ 
Nagasawa et al. 1990a 
aberrations 
Mouse (bone marrow) 
Chromosomal 
No data 
+ 
Kadhim et al. 1992 
aberrations 
Chinese hamster (M3-1 cells)  Chromosomal 
No data 
+ 
Welleweerd et al. 1984 
aberrations 
Chinese hamster (V79 cells)  Chromosomal 
No data 
+ 
Griffin et al. 1994 
aberrations 
Chinese hamster (ovary K-1  Chromosomal 
No data 
+ 
Nagasawa et al. 1990b 
cells) 
aberrations 
Human (peripheral blood 
Sister chromatid 
No data 
+ 
Aghamohammadi et al. 
lymphocytes) 
exchanges 
1988 
Mouse (10T1/2, 3T3 cells) 
Sister chromatid 
No data 
+ 
Nagasawa et al. 1990a 
exchanges 
Chinese hamster (ovary cells)  Sister chromatid 
No data 
+ 
Nagasawa and Little 
exchanges 
1992; Nagasawa et al. 
1990b 
Human (peripheral blood 
Micronuclei 
No data 
+ 
Bilbao et al. 1989 
lymphocytes) 
Human (embryonic skin 
Gene mutation 
No data 
+ 
Chen et al. 1984 
fibroblasts) 
Chinese hamster (ovary cell  Gene mutation 
No data 
+ 
Barnhart and Cox 1979; 
line) 
DOE 1980h 
Chinese hamster (V79-4 cells) Gene mutation 
No data 
+ 
Thacker et al. 1982 
Chinese hamster (V79-4 cells) DNA double-strand  No data 
+ 
Jenner et al. 1993 
breaks 
Chinese hamster (V79-379A  DNA double-strand  No data 
+ 
Fox and McNally 1990 
lung fibroblasts) 
breaks 
Chinese hamster 
DNA damage 
No data 
+ 
Prise et al. 1987 
(V79-379A cells) 
Mouse-rat (hybrid cell line) 
Reduction in radio-
No data 
+ 
Robertson and Raju 1980 
resistance 
Prokaryotic organisms: 
Salmonella typhimurium 
Gene mutation 
No data 
– 
DOE 1980h 
(TA100, TA98, TA1535, 
TA1537, TA1538, TA2420, 
TA2421) 
C 
= negative result; + = positive result 

---

69 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
median dose to the bone marrow), but not with the external radiation dose.  Frequency of micronuclei did 
not differ significantly among the three study groups. 
Significantly increased frequencies of symmetrical and asymmetrical chromosomal aberrations were 
reported among workers at the Sellafield (United Kingdom) plutonium facility with internalized 
plutonium in excess of 20% of the maximum permissible body burden (Tawn et al. 1985).  Frequencies of 
symmetrical aberrations were significantly higher at retesting 10 years later, although no significant 
external radiation exposure had occurred during the 10-year interim (Whitehouse et al. 1998).  This 
finding is consistent with the hypothesis that internally-deposited plutonium irradiates hemopoietic 
precursor cells (Whitehouse et al. 1998). 
Internal plutonium dose-related increased frequencies in chromosomal aberrations have also been 
reported in peripheral blood lymphocytes of plutonium workers with estimated plutonium body burdens 
as high as 15.5 kBq from exposure at the Mayak plutonium facilities in Russia (Hande et al. 2003, 2005; 
Mitchell et al. 2004; Okladnikova et al. 2005).  The increased frequencies of chromosomal aberrations in 
the Mayak workers persisted many years following the cessation of exposure (Hande et al. 2003, 2005; 
Mitchell et al. 2004). 
Significantly increased frequencies of chromosomal aberrations were observed among Rocky Flats 
(Colorado) plutonium workers with internal plutonium burdens >740 Bq (Brandom et al. 1990; IAEA 
1979).  Conversely, among Manhattan Project plutonium workers followed for up to 32 years, no 
apparent correlation was found between the frequency of chromosomal aberrations and plutonium body 
burdens in the range of 0.185–15.4 kBq (Hempelmann et al. 1973; Voelz et al. 1979). 
Open wounds represent a significant route through which plutonium workers might be exposed to 
plutonium alpha particles.  Chromosomal aberrations were observed in lymphocytes among eight 
plutonium workers in the United Kingdom occupationally exposed to plutonium with the primary routes 
of exposure through wounds, punctures, or abrasions (estimated plutonium body burdens from 0.78 to 
1.5 kBq).  In exposed individuals, the number of dicentric aberrations averaged 5 per 500 cells, while the 
natural population background frequency of this aberration is 1 per 4,000 cells (Schofield 1980; Schofield 
et al. 1974). 
Results of in vivo genotoxicity studies in laboratory animals consistently reveal alpha radiation-induced 
dose-related increases in the frequency of chromosomal aberrations following internalization of 

---