Toxicological Profile for Plutonium

70 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
plutonium.  Chromosomal aberrations were observed in monkeys and hamsters following inhalation 
exposure to plutonium.  Increases in chromosomal aberrations in blood lymphocytes were seen in 
immature Rhesus monkeys exposed to 
239
PuO
2 
at concentrations resulting in initial lung burdens of 1.9– 
19 kBq 
239
Pu/kg body weight (LaBauve et al. 1980) and Cynomolgus monkeys exposed to 
239
Pu(NO
3
)
4 
at 
a concentration resulting in a projected initial lung burden of 40 kBq (Brooks et al. 1992), but not at lower 
levels.  Dose-related increases in the frequency of chromosomal aberrations were observed in Chinese 
hamster blood cells 30 days after exposure of the animals at aerosol concentrations resulting in deposition 
of 370–9600 kBq 
239
Pu/g of lung tissue (DOE 1976).  Increases in chromosomal aberrations in bone 
marrow cells were observed in mice following intravenous injection of 
239
Pu (as the citrate) at 13 kBq 
239
Pu/kg body weight (Svoboda et al. 1987).  The highest incidence of these mutations was observed in 
the early days postinjection.  Increased frequency of chromosomal aberrations was observed in liver 
tissue of Chinese hamsters intravenously given 
239
Pu or 
238
Pu (as the citrate or the dioxide) to achieve 
levels ranging from 0.026 to 0.74 kBq 
239
Pu or 
238
Pu/g of liver tissue (DOE 1976) or 74 kBq 
239
Pu/kg 
body weight (IAEA 1976b).  The frequency of aberrations was much higher in hamsters exposed by 
intravenous injection to 
239
Pu or 
238
Pu (as the citrate) than in hamsters exposed to 
239
PuO
2 
or 
238
PuO
2 
(IAEA 1976a, 1976b).  Stroud (1977) reported significantly increased frequency of chromosomal 
aberrations in lung cells of Syrian hamsters following inhalation exposure to 
238
PuO
2
-ZrO
2 
particles at a 
level resulting in initial 
238
Pu lung burden of approximately 5.2 kBq. 
The induction of micronuclei in pulmonary alveolar macrophages (PAM) was noted in mice exposed to 
238
PuO
2 
or 
239
Pu O
2 
aerosols under exposure conditions that resulted in mean initial lung deposits of 
approximately 550 and 580 Bq, respectively (approximately 22 and 24 Bq/kg body weight, respectively) 
(Talbot et al. 1989).  Micronuclei in PAM of control mice averaged <0.1%, whereas peak incidences of 
micronuclei in the 
238
PuO
2
- and 
239
PuO
2
-exposed mice reached 3 and 5%, respectively, at 21 days 
postexposure. 
Increased frequency of chromosomal aberrations have been observed in spermatogonia of rodents 
following parenteral administration of plutonium compounds at activity levels much higher than those 
known to cause marked life shortening and increased cancer incidence.  Markedly increased frequencies 
of chromosomal aberrations were observed in spermatogonia of mice receiving a single intraperitoneal 
injection of 
238
Pu(NO
3
)
4 
at 
238
Pu activity levels ≥231 kBq/kg body weight (Pomerantseva et al. 1989).  
Increased frequency of reciprocal translocations in spermatogonia was observed in male mice 6–18 weeks 
after intravenous injection of 
239
Pu (as the citrate) at 370 kBq 
239
Pu/kg body weight (Beechey et al. 1975).  
An increase in the frequency of heritable translocations was also observed in spermatogonia of male mice 

---

71 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
intravenously injected with 
239
Pu (as the citrate) at 370 kBq 
239
Pu/kg body weight (Generoso et al. 1985).  
The frequency of translocations increased as a function of time and dose.  However, induction of 
reciprocal translocations was not significant in male mice intravenously injected with 150 kBq 
239
Pu/kg 
body weight (Searle et al. 1976).  No statistically significant increases in the incidence of chromosomal 
aberrations per spermatogonia cell were observed in mice or hamsters following intravenous 
administration of 
239
Pu (as the citrate) at activity levels (ranging from 22 to 74 kBq 
239
Pu/kg body weight) 
high enough to induce marked life shortening and increased cancer incidence (Brooks et al. 1979). 
Dominant lethality has been observed in plutonium-exposed mice.  Fetal intrauterine death occurred in 
female mice mated with male mice that had received 
239
Pu (as the citrate) at levels ranging from 3.7 or 
18.5 kBq 4 weeks prior to mating (IAEA 1976k; Lüning et al. 1976).  The effects of the dominant lethal 
mutations were also observed when untreated females were mated with male mice from the F
1 
generation.  
Exposure of male mice to higher doses of 
239
Pu resulted in sterility 12 weeks postexposure (IAEA 1976k; 
Lüning et al. 1976).  Pomerantseva et al. (1989) reported the induction of dominant lethal mutations in 
male mice that had been administered single intraperitoneal injection of 
239
Pu(NO
3
)
4 
at levels 
≥0.925 kBq/g body weight 2–22 weeks prior to mating; males receiving 1.85 kBq/g body weight became 
sterile 9 weeks postinjection.  Exposure of female mice to plutonium also resulted in dominant lethal 
mutations (Searle et al. 1982).  Intravenous injection of female mice with 
239
Pu (as the citrate) at 740 kBq 
239
Pu/kg body weight resulted in marked oocyte killing and subsequently reduced number of mice which 
became pregnant, compared with the controls.  Both pre- and postimplantation dominant lethals were 
induced when mating occurred at long periods (12 weeks) after intravenous exposure to plutonium. 
Consistently positive genotoxicity results have been reported in various test systems exposed to the alpha 
radiation from plutonium compounds in vitro (see Table 3-5).  Chromosomal aberrations were reported in 
human peripheral blood lymphocytes and lymphoblasts (DOE 1980h; Purrott et al. 1980); bone marrow 
and 10T1/2, 3T3 cells from mice (Kadhim et al. 1992; Nagasawa et al. 1990a); and M3-1, V79, and ovary 
K-1 cells from Chinese hamsters (Griffin et al. 1994; Nagasawa et al. 1990b; Welleweerd et al. 1984). 
Sister chromatid exchanges were noted in plutonium-exposed human peripheral blood lymphocytes 
(Aghamohammadi et al. 1988), mouse 10T1/2, 3T3 cells (Nagasawa et al. 1990a), and Chinese hamster 
ovary cells (Nagasawa and Little 1992; Nagasawa et al. 1990b).  Bilbao et al. (1989) reported plutonium-
induced micronuclei in human peripheral blood lymphocytes.  Other positive genotoxicity results include 
gene mutation in human and hamster cell lines (Barnhart and Cox 1979; Chen et al. 1984; DOE 1980h; 
Thacker et al. 1982), DNA double-strand breaks in Chinese hamster V79-4 and V79-379A cells (Fox and 
McNally 1990; Jenner et al. 1993), DNA damage in Chinese hamster V79379A cells (Prise et al. 1987), 

---