Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
169 
6.  POTENTIAL FOR HUMAN EXPOSURE 
Carroll et al. (1999) reported distribution coefficients (K
d
) ranging from 3x10
4 
to 8x10
4
 for plutonium in 
bottom sediments from the Kara Sea.  The International Atomic Energy Agency (IAEA)-recommended 
K
d 
value for sediments is 1x10
5 
for plutonium (Carroll et al. 1999; IAEA 2004).  
Plutonium can be taken up from various environmental media into plants and animals.  The primary 
factor that governs whether plutonium in soil can be taken up by plants roots is the presence of soluble 
forms of plutonium in adjacent subsurface soils.  The highest concentrations of plutonium in plants are 
generally found in the roots where plutonium is present as a surface-absorbed plutonium complex, a 
stabilized complex, or a soluble plutonium complex (Garland et al. 1981).  Concentration ratios 
(concentration of plutonium per gram of dry plant tissue divided by concentration in the soil) of 1x10
-6
– 
2.5x10
-4
 were calculated based on radioisotope experiments in soybean plants grown in controlled 
environments.  The stems and leaves were found to possess lower overall concentrations of plutonium 
than the roots, but higher concentrations of soluble plutonium (Cataldo et al. 1987).  
In studies on orange trees, Pinder et al. (1987) found that 
238
Pu was deposited on the leaf or soil surface, 
remained there, and that no measurable quantities were transferred to the fruits.  Grain crops grown near 
the Savannah River Plant, Aiken, South Carolina, were found to contain higher concentrations of 
plutonium the closer to the facility they were grown.  During harvesting, plutonium from soils or straw 
was resuspended and mixed with the crop.  Plutonium in vegetable crops grown at Oak Ridge National 
Laboratory, Oak Ridge, Tennessee, contained higher plutonium concentrations in the foliage biomass 
than in the fruit.  Peeling of potatoes and beets removed 99% of the residual plutonium (DOE 1980d).  
The Mayak Production Association (PA), which processed weapons-grade plutonium from 1949 to 1952, 
discharged radioactive wastes into the Techa River, which belongs to the Kara Sea basin of the Arctic 
Ocean.  Akleyev et al. (2000) reported plutonium accumulation coefficients ranged widely from 2x10
-4
 to 
0.8 for vegetation samples the area of the Techa River.  The authors noted that plutonium accumulation is 
highly species-dependent. 
Plutonium uptake by grazing herbivores was predominantly located within the animal's pelt and 
gastrointestinal tract (DOE 1980i).  Rodents studied near the Los Alamos and Trinity sites in New 
Mexico support this claim.  DOE (1980i) found no evidence of bioconcentration through the food chain 
from soil to plants to rodents.  They concluded that soil was the source of plutonium in rodents.  In 
contrast, a study by Sullivan et al. (1980) showed that rodents absorbed more 
238
Pu when it was 
incorporated into alfalfa (by growing it in soil containing plutonium) than when it was administered in the 

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PLUTONIUM 
170 
6.  POTENTIAL FOR HUMAN EXPOSURE 
inorganic form (Sullivan et al. 1980).  This study suggests that plutonium bound to organic compounds 
may have increased availability. 
Plutonium was found to bioaccumulate in aquatic organisms, primarily at the lower end of the food chain.  
The bioconcentration factors (i.e., the amount of the chemical found in the organism divided by the 
concentration in the surrounding water over the same time period) were 1,000 for mollusks and algae, 
100 for crustacea, and 10 for fish (WHO 1983).  Plutonium is concentrated in the bones of fish rather than 
in muscle tissues, as seen by whole fish to muscle tissue ratios of 40:1 (NCRP 1984).  Swift (1992) 
reported that whole-body concentration factors for juvenile lobsters did not exceed 250 over an exposure 
period of 49 days in seawater containing 
237
Pu.  
237
Pu was found to accumulate mostly in the gills and 
exoskeleton.  
6.3.2 
Transformation and Degradation 
Plutonium isotopes are transformed by radioactive decay to either uranium or americium based on the 
isotope, but as an element, plutonium cannot degrade.  The most common isotopes of plutonium are 
238
Pu, 
239
Pu, 
240
Pu, and 
241
Pu with respective half-lives of 87.7, 2.410x10
4
, 6.56x10
3
, and 14.4 years (Lide 2005).  
The half-lives for 
239
Pu and 
240
Pu are very long, and only a small amount of transformation would occur 
over a human lifetime.  
241
Pu has a much shorter half-life and would undergo transformation over a 
human lifetime.  
241
Pu decays into 
241
Am, which has a half-life of 432.7 years and is also an alpha particle 
emitter (Baum et al. 2002).  Information on the radioactive transformation of various plutonium isotopes 
can be found in Table 4-3.   
6.3.2.1   Air 
Plutonium does not undergo transformation processes in the air beyond those related to radioactive decay.  
Radioactive decay in air is not significant for those plutonium isotopes with long half-lives compared 
with residence times in the atmosphere.  For plutonium injected into the atmosphere from a weapon 
detonation, the residence half-time of particulate debris in the troposphere of approximately 30 days 
(Bennett 1979; Nero 1979). 
6.3.2.2   Water 
The solution chemistry of plutonium is complex due to the ease with which it can undergo oxidation-
reduction reactions and its extreme oxophilicity (tendency to bind oxygen) of plutonium cations (Clark et 

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