Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
116 
3.  HEALTH EFFECTS 
Table 3-11.  Parameters of Leggett et al. (2005) Model of Plutonium Biokinetics in 
Humans
a
 
Parameter
b 
Adult value 
Blood (1) to liver (0) 
4.6200x10
-1 
Blood (1) to cortical surface 
8.7780x10
-2 
Blood (1) to cortical volume 
4.6200x10
-3 
Blood (1) to trabecular surface 
1.2474x10
-1 
Blood (1) to trabecular volume 
1.3860x10
-2 
Blood (1) to urinary bladder contents 
1.5400x10
-2 
Blood (1) to renal tubules 
7.7000x10
-3 
Blood (1) to other kidney 
3.8500x10
-4 
Blood (1) to upper large intestine contents 
1.1550x10
-2 
Blood (1) to testes 
2.6950x10
-4 
Blood (1) to ovary 
8.4700x10
-5 
Blood (1) to soft tissue (1) 
1.8511x10
-2 
Blood (1) to soft tissue (2) 
2.3100x10
-2 
Soft tissue (0) to blood (1) 
9.9000x10
-2 
Blood (2) to urinary bladder contents 
3.5000x10
0 
Blood (2) to blood (1) 
6.7550x10
1 
Blood (2) to soft tissue (0) 
2.8950x10
1 
Renal tubules to urinary bladder contents 
1.7329x10
-2 
Other kidney to blood (2) 
1.2660x10
-4 
Soft tissue (1) to blood (2) 
1.3860x10
-3 
Soft tissue (2) to blood (2) 
1.2660x10
-4 
Liver (0) to small intestine contents 
9.2420x10
-4 
Liver (0) to liver (1) 
4.5286x10
-2 
Liver (1) to blood (2) 
1.5200x10
-3 
Liver (1) to liver (2) 
3.8000x10
-4 
Liver (2) to blood (2) 
1.2660x10
-4 
Tests to blood (2) 
3.8000x10
-4 
Ovaries to blood (2) 
3.8000x10
-4 
Cortical surface to cortical marrow 
8.2100x10
-5 
Cortical surface to cortical volume 
2.0500x10
-5 
Cortical volume to cortical marrow 
8.2100x10
-5 
Trabecular surface to trabecular marrow 
4.9300x10
-4 
Trabecular surface to trabecular volume 
1.2300x10
-4 
Trabecular volume to trabecular marrow 
4.9300x10
-4 

---

PLUTONIUM 
117 
3.  HEALTH EFFECTS 
Table 3-11.  Parameters of Leggett et al. (2005) Model of Plutonium Biokinetics in 
Humans
a
 
Parameter
b 
Adult value 
Cortical marrow to blood (2) 
7.6000x10
-3 
Trabecular marrow to blood (2) 
7.6000x10
-3 
a
See Figure 3-10 for schematic representation of model.
b
Units are d
-1 
. 

---

PLUTONIUM 
118 
3.  HEALTH EFFECTS 
Validation of the Model. 
The Leggett et al. (2005) model has been evaluated with data on plutonium 
excretion and postmortem tissue levels in plutonium workers at the Mayak production plant (e.g., 
Khokhryakov et al. 1994, 2000) and data from plutonium injection studies (Langham et al. 1950, 1980; 
Talbot et al. 1997).  The model provides predictions of blood, liver, and fecal plutonium kinetics that 
more closely simulate observations made in injection studies compared to predictions from the ICRP 
(1994a) model (Leggett et al. 2005).  The model also predicts urinary plutonium based on observed 
urinary excretion kinetics in Mayak production plant workers (Leggett et al. 2005). 
Risk Assessment. 
The Leggett et al. (2005) model was developed to update and replace the ICRP 
(1994a) model that is currently being used to establish radiation doses (Sv) per unit of ingested or inhaled 
plutonium (Bq) (ICRP 1994a, 2001) 
Target Tissues. 
The model was developed for calculating whole-body and tissue-specific radiation 
dose coefficients (Sv/Bq) corresponding to absorbed activities of plutonium isotopes.  Target tissues 
represented in the model are shown in Figure 3-10. 
Species Extrapolation. 
The model is intended for applications to human dosimetry.  Applications to 
other species would require consideration of species-specific adjustments in modal parameters. 
Interroute Extrapolation. 
The Leggett et al. (2005) model is designed to simulate kinetics of 
absorbed plutonium and, if combined with a gastrointestinal absorption or respiratory tract model (e.g., 
ICRP 1979, 1994a), could be used to simulate systemic kinetics of ingestion or inhalation exposures.  The 
model can be applied to any other route of exposure for which the transfer rate to blood is available. 
3.5   MECHANISMS OF ACTION 
3.5.1 
Pharmacokinetic Mechanisms 
Absorption. 
Several mechanisms appear to contribute to the absorption of inhaled plutonium: 
(1) physical transformation of plutonium particles deposited (or formed from hydrolysis reactions) in the 
lung, including fragmentation of particles, accelerated by alpha-radiation; (2) dissolution of particles; and 
(3) phagocytosis of particles by macrophages (Bair et al. 1973; Mewhinney and Diel 1983).  The relative 
contributions of these mechanisms appear to depend on several factors, including:  (1) particle size of the 
inhaled aerosol; (2) water solubility of the inhaled plutonium (e.g., PuO
2
, Pu[NO
3
]
4
); (3) isotope specific 

---

PLUTONIUM 
119 
3.  HEALTH EFFECTS 
activity (e.g., 
238
Pu, 
239
Pu), which determines intensity of alpha-radiation of the particles; and (4) in the 
case of PuO
2
, surface characteristics of the particles, affected by temperatures at which the PuO
2 
was 
produced. 
Mechanisms of absorption of plutonium from the gastrointestinal tract have not been elucidated.  Studies 
conducted in animals have shown that gastrointestinal absorption of plutonium is increased in iron-
deficiency, and is decreased in iron-deficient animals by the co-administration of Fe
3+
, suggesting that 
mechanisms involved in iron absorption may contribute to plutonium absorption (Sullivan and Ruemmler 
1988; Sullivan et al. 1986).  Gastrointestinal absorption of plutonium compounds appears to be higher for 
more water-soluble compounds of plutonium; absorption of plutonium citrate tends to be greater than 
nitrate, which is greater than plutonium oxide (PuO
2
) (Sullivan 1980a).  This suggests that dissolution of 
plutonium in the gastrointestinal tract may contribute to absorption (possibly, in addition to endocytosis 
of particles).  Gastrointestinal absorption is higher in neonatal animals compared to mature animals, 
which may reflect a more permeable gastrointestinal tract in neonates or physiological adjustments in 
neonates related to nutrient (e.g., iron) absorption that affect plutonium uptake (Sullivan 1980a, 1980b; 
Sullivan and Gorham 1983; Sullivan et al. 1985).  Fasting tends to increase absorption, which suggests 
the possibility of binding interactions with food components in the gastrointestinal tract and/or 
competition for absorption with other nutrients (Bhattacharyya et al. 1986; USNRC 1992). 
Results from these studies support the following general conclusions regarding factors that affect 
absorption:  (1) in general, absorption of plutonium citrate tends to be greater than nitrate, which is 
greater than plutonium oxide (PuO
2
) (Sullivan 1980a); (2) most estimates of absorption of plutonium 
citrate and nitrate in adult animals are <0.1% of the dose; (3) fasting tends to increase absorption 
(USNRC 1992); (4) absorption is 10–1,000 times greater in neonates compared to adults, depending on 
the animal species and chemical form of plutonium (Sullivan 1980a, 1980b; Sullivan and Gorham 1983; 
Sullivan et al. 1985); (5) iron deficiency increases absorption in juvenile rats and administration of ferric 
iron (Fe
3+
) to iron-deficient rats decreases absorption (Sullivan and Ruemmler 1988); and (6) absorption 
of plutonium in surface dusts (e.g., bomb test sites) in guinea pigs was <0.001% of the dose (Harrison et 
al. 1994). 
Distribution. 
Distribution in Blood. 
Dissolved plutonium distributes in blood predominantly as Pu(IV) complexes 
with plasma proteins (Lehmann et al. 1983; Stevens et al. 1968; Stover et al. 1968a; Taylor 1973).  

---