Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
113 
3.  HEALTH EFFECTS 
Table 3-10.  Parameters of the First Branch of the First Institute of Biophysics 
(FIB-1) Biokinetic Plutonium Model
a 
Parameter 
Symbol Unit 
S=0.3% 
S=1.0% 
S=3.0% 
Fraction of inhaled 
V(T) 
percent  Particle size-dependent 
deposited in lung 
Fraction to fast lung 
 
percent  26.5
±
46.5 
71.7
±
9.1 
90.1
±
3.5 
clearance 
Fraction to fixed lung 
K
f 
percent  15.4
±
4.2 
4.3
±
0.7 
1.8
±
0.2 
compartment 
Fraction to slow lung 
 
percent  58.0
±
46.4 
24.0
±
9.1 
8.1
±
3.5 
clearance compartment 
Fraction to lymph nodes 
K
n 
percent  26.0
±
4.2 
21.0
±
1.6 
11.0
±
0.9 
Clearance rate from slow 
 
year 
-1 
0.134
±
0.103  0.133
±
0.045  0.170
±
0.063 
lung compartment 
Urine 
Feces 
a
i 
x
i 
a
i 
x
i 
Systemic compartment 1  a
1
, x
1 
day
-1 
4.1x10
-3 
5.634x10
-1 
6.0x10
-3 
3.465x10
-1 
Systemic compartment 2  a
2
, x
2 
day
-1 
1.2x10
-3 
1.26x10
-1 
1.6x10
-3 
1.05x10
-1 
Systemic compartment 3  a
3
, x
3 
day
-1 
1.3x10
-4 
1.65x10
-2 
1.2x10
-4 
1.24x10
-2 
Systemic compartment 4  a
4
, x
4 
day
-1 
3.0x10
-5 
2.31x10
-3 
2.0x10
-5 
1.8x10
-3 
Systemic compartment 5  a
5
, x
5 
day
-1 
1.3x10
-5 
2.0x10
-5 
5.2x10
-6 
2.0x10
-5 
a
See Figure 3-9 for schematic representation of model. 
Source:  Khokhryakov et al. 2002 

---

PLUTONIUM 
114 
3.  HEALTH EFFECTS 
plutonium excretion and postmortem lung and total body burdens in Mayak workers.  The model cannot 
be directly extrapolated to predicting the kinetics of systemic plutonium following exposures by other 
routes (e.g., dermal, oral). 
Leggett et al. (2005) Plutonium Biokinetics Model 
Description of the Model. 
Leggett et al. (2005) developed a modification of the ICRP (1994a) 
model.  A schematic diagram of the model and list of parameter values are presented in Figure 3-10 and 
Table 3-11, respectively.  The major important features introduced into the Leggett et al. (2005) model 
are the simulations of blood and urinary excretion from blood, liver, and bone.  The blood compartment in 
the Leggett et al. (2005) model is divided into two sub-compartments (blood 1, blood 2).  Absorbed 
plutonium enters blood 1, from where it distributes to other tissues and is excreted into urine.  Plutonium 
in tissues returns to blood 2 (recycled plutonium), from where it distributes to blood 1, the rapid soft 
tissue compartment (ST0), and is excreted in urine.  The two blood compartments, with both contributing 
to urinary bladder contents, provides a simulation of a relatively fast pathway for urinary excretion of 
recycled plutonium (blood 2 to urine, t
1/2
≈
5 hours) and a slower excretion pathway for initially-absorbed 
plutonium (blood 1 to urine, t
1/2
≈
45 days).  The liver is divided into three compartments (liver 0, 1, and 
2).  Liver 0 receives plutonium from blood 1 from where it can be secreted into the gastrointestinal tract 
(e.g., bile), or transferred to liver 1 and liver 2.  The latter sub-compartments simulate faster and slower 
transfers of plutonium from liver to blood 2 (liver 1 to blood, t
1/2
≈
460 days; liver 2 to blood, 
t
1/2
≈
5,500 days).  This configuration (i.e., fast and slower liver compartments) results in a gradual shift in 
the systemic plutonium distribution from liver to skeleton, with the liver burden being greater than 
skeletal burden, initially after absorption, and the liver contribution diminishing, relative to skeletal, over 
time.  As in the ICRP (1994a) model, the skeleton is divided into trabecular and cortical components, 
with each further divided into surface bone, bone volume, and bone cavity (marrow) compartments.  In 
the ICRP (1994a) model, initial deposition of plutonium is assumed to occur from blood directly to bone 
surfaces, where it can be transferred to bone marrow or to bone volume (i.e., burial).  In the Leggett et al. 
(2005) model, plutonium in blood 1 is directly transferred to both bone surface and volume 
compartments.  This configuration simulates faster and slower components of burial of plutonium in bone 
volume.  The fast component is represented by direct transfer from blood 1 to bone volume (t
1/2
≈
50 days 
and 150 days for trabecular and cortical volume, respectively) and the slower component is represented 
by transfer from bone surface to volume (t
1/2
≈ 
15 and 93 years for trabecular and cortical, respectively). 

---

PLUTONIUM 
115 
3.  HEALTH EFFECTS 
Figure 3-10.  Schematic Representation of the Leggett et al. (2005) Model of
 
Plutonium Biokinetics in Humans*
 
Other Soft Tissues 
Intermediate      
Rapid            
Slow turnover 
turnover  (ST1) 
turnover (ST0) 
(ST2) 
Kidneys 
Other kidney 
Liver 2 
Urine 
Urinary 
tissue 
bladder 
Liver 1 
contents 
Renal tubule 
Liver 0 
Blood 2 
Skeleton 
Gastrointestinal 
tract contents 
Cortical 
Cortical 
Cortical 
volume 
surface 
marrow 
Feces 
Gonads 
Trabecular 
Trabecular 
Trabecular 
volume 
surface 
marrow 
Blood 1 
*See Table 3-11 for parameter values. 

---