Toxicological Profile for Plutonium

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PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
and reduction in radio-resistance in mouse-rat (hybrid) cell line (Robertson and Raju 1980).  Results were 
negative for plutonium-induced gene mutation in several strains of Salmonella typhimurium (DOE 
1980h). 
3.4   TOXICOKINETICS 
Studies of the toxicokinetics of plutonium have focused on two general classes of compounds:  highly 
insoluble compounds (e.g., PuO
2
) and soluble compounds (e.g., Pu[NO
3
]
4
, plutonium citrate complexes).  
However, factors other than solubility affect the behavior of plutonium in biological systems.  These 
include:  (1) hydrolysis reactions at physiological pH that yield highly insoluble polymers from soluble 
Pu(IV); (2) particle size, which affects deposition characteristics in the respiratory tract and absorption 
rates from the lung and gastrointestinal tract; (3) firing temperature at which the PuO
2 
was formed, which 
may affect particle surface characteristics and susceptibility to physical transformation reactions that 
increase mobility and absorption; and (4) isotope specific activity, which can affect the intensity of 
radiation of the particles and rates of radiolytic fragmentation of particles in tissues.  These various 
factors give rise to toxicokinetics of the various plutonium compounds that are not easily distinguished 
solely on the basis of water solubility.  The toxicokinetics of inhaled 
238
PuO
2 
is distinctly different from 
that of inhaled 
239
PuO
2 
having a similar particle size range (>1 μm).  Inhaled 
238
PuO
2 
that deposits in the 
lung is much more rapidly absorbed and distributed to liver and skeleton (predominantly) compared to 
239
PuO
2
.  As a result, deposition of similar initial lung burdens of the two isotopes will result in long-term 
(e.g., chronic) radiation doses to liver and skeleton (i.e., bone and marrow) that are higher, and lung doses 
that are lower, following exposures to 
238
PuO
2 
compared to 
239
PuO
2
.  The consequences of these different 
radiation doses are distinct patterns of health effects that have been observed in controlled lifetime studies 
in animals, with more prominent lung effects following exposures to 
239
PuO
2
.and more prominent effects 
on bone, marrow, and liver following exposures to 
238
PuO
2 
(see Section 3.2.1).  The kinetics, distribution, 
and health outcomes of inhaled 
239
Pu(NO
3
)
4 
are similar to those of 
238
PuO
2
. 
3.4.1 
Absorption 
3.4.1.1   Inhalation Exposure 
Evidence for absorption of inhaled plutonium in humans derives from several types of measurements: 
(1) measurements of fecal and urinary excretion of plutonium following occupational inhalation 
exposures (Carbaugh and La Bone 2003; DOE 1985k, 1991c; James et al. 2003; Kathren and McInroy 
1991; Kurihara et al. 2002; McInroy et al. 1991; Voelz et al. 1979; Woodhouse and Shaw 1998); 

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73 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
(2) postmortem plutonium levels in tissues of workers exposed to airborne plutonium (Filipy and Kathren 
1996; Filipy et al. 1994; Hahn et al. 2003, 2004; Kathren and McInroy 1991; Khokhryakov et al. 2005; 
McInroy et al. 1989, 1991; Romanov et al. 2003; Voelz et al. 1997); (3) in vivo chest radiation 
measurements (
241
Am) following occupational exposures to airborne 
241
Pu (Carbaugh and La Bone 2003; 
DOE 1991c); and (4) experimental studies in which in vivo blood, urine, and organ x-ray emission were 
measured in subjects who inhaled 
237
Pu nitrate (Etherington et al. 2003; Hodgson et al. 2003). 
Inhaled plutonium particles that deposit in the respiratory tract are subject to three general distribution 
processes:  (1) bronchial and tracheal mucociliary transport to the gastrointestinal tract; (2) transport to 
thoracic lymph nodes (e.g., lung, tracheobronchial, mediastinal); or (3) absorption by blood and/or lymph 
and transfer to other tissues (e.g., bone, liver).  The above processes apply to all forms of deposited 
plutonium, although the relative contributions of each pathway and rates associated with each pathway 
vary with the physical characteristics (e.g., particle size), chemical form (degree of water solubility), and 
radiological characteristics (e.g., specific activity).  The various processes that contribute to the 
elimination of plutonium from the respiratory tract give rise to multi-phasic lung retention kinetics.  In 
most studies of lung retention, at least two kinetic components are evident.  The faster phase is thought to 
be contributed by relatively rapid mechanical clearance mechanisms (e.g., mucociliary transport) and 
absorption to blood of soluble or relatively rapidly dissolved insoluble material deposited in the lung.  
The slower phase is contributed by the transformation and dissolution and/or mechanical clearance (e.g., 
phagocytic) of highly insoluble particles. 
Etherington et al. (2003) measured plutonium kinetics in two adult subjects who inhaled an aerosol of 
237+244
Pu(NO
3
)
4 
(activity median aerodynamic diameter [AMAD]=1.1 μm; geometric standard deviation 
[GSD]=1.2).  Lung, liver, and urine plutonium levels were estimated from K x-ray emission from the 
decay of 
237
Pu; blood plutonium levels were measured by mass spectrometry of 
244
Pu.  Initial lung 
burdens were estimated to be 8 kBq 
237
Pu and 35 ng 
244
Pu.  Lung retention half-times, estimated from 
observations made up to 120 days following the exposure, were 1.6–3.0 days (20%) for the fast phase, 
and 280–430 days (80%) for the slow phase.  Longer-term observations of lung retention kinetics are 
available from studies of accidental inhalation exposures to plutonium oxide containing 
241
Pu (Carbaugh 
and La Bone 2003; DOE 1991c).  In these studies, lung plutonium burdens were inferred from 
measurements of external radiation emitted by 
241
Am, a gamma-emitting daughter of 
241
Pu.  Estimated 
lung retention half-times for 10 subjects ranged from 14 to 80 years. 

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