Unter den richtigen Bedingungen (Nahrung, richtige Temperatur usw.) können Mikroben sehr schnell wachsen. Je nach Situation kann dies für den Menschen von Vorteil sein (Hefe, die in der Bierwürze wächst) oder von Nachteil (Bakterien, die im Hals wachsen und Halsentzündungen verursachen). Es ist wichtig, ihr Wachstum zu kennen, damit wir ihr Wachstum unter bestimmten Bedingungen vorhersagen oder kontrollieren können.

Während das Wachstum bei mutierten Organismen in der Regel anhand der Größenzunahme eines einzelnen Organismus gemessen wird, wird das mikrobielle Wachstum anhand der Zunahme der Population gemessen, entweder durch Messung der Zunahme der Zellzahl oder der Zunahme der Gesamtmasse.

Bakterielle Teilung

Bakterien und Archaeen pflanzen sich nur ungeschlechtlich fort, während eukartyotische Mikroben sich entweder sexuell oder ungeschlechtlich vermehren können. Bei Bakterien und Archaeen kommt am häufigsten die so genannte Binärspaltung vor, bei der sich eine einzelne Zelle in zwei gleich große Zellen teilt. Andere, weniger verbreitete Prozesse sind die Mehrfachspaltung, die Knospung und die Produktion von Sporen.

Der Prozess beginnt mit der Zellstreckung, die eine sorgfältige Vergrößerung der Zellmembran und der Zellwand sowie eine Zunahme des Zellvolumens erfordert. Die Zelle beginnt, ihre DNA zu replizieren, um sich darauf vorzubereiten, zwei Kopien ihres Chromosoms zu haben, eine für jede neu gebildete Zelle. Das Protein FtsZ ist wesentlich für die Bildung eines Septums, das sich zunächst als Ring in der Mitte der verlängerten Zelle zeigt. Nachdem die Nukleoide an jedes Ende der verlängerten Zelle verlagert wurden, ist die Septumbildung abgeschlossen und die verlängerte Zelle teilt sich in zwei gleich große Tochterzellen. Der gesamte Prozess oder Zellzyklus kann bei einer aktiven Kultur von E. coli-Bakterien bis zu 20 Minuten dauern.

Wachstumskurve

Da Bakterien im Labor leicht zu züchten sind, wurde ihr Wachstum ausgiebig untersucht. Es wurde festgestellt, dass Bakterien in einem geschlossenen System oder einer Batch-Kultur (keine Nahrungszufuhr, keine Abfallstoffe) nach einem vorhersehbaren Muster wachsen, was zu einer Wachstumskurve führt, die aus vier verschiedenen Wachstumsphasen besteht: der Verzögerungsphase, der exponentiellen oder logarithmischen Phase, der stationären Phase und der Sterbe- oder Abklingphase. Außerdem kann aus dieser Wachstumskurve die Generationszeit für einen bestimmten Organismus abgeleitet werden – die Zeit, die die Population braucht, um sich zu verdoppeln.

Die Details der einzelnen Wachstumskurven (Anzahl der Zellen, Länge der einzelnen Phasen, Geschwindigkeit des Wachstums oder des Absterbens, Gesamtzeit) variieren von Organismus zu Organismus oder sogar bei unterschiedlichen Bedingungen für denselben Organismus. Das Muster der vier verschiedenen Wachstumsphasen bleibt jedoch in der Regel erhalten.

Lag-Phase

Die Lag-Phase ist eine Anpassungsphase, in der sich die Bakterien auf die neuen Bedingungen einstellen. Die Länge der Lag-Phase kann sehr unterschiedlich sein, je nachdem, wie sehr sich die Bedingungen von denen unterscheiden, aus denen die Bakterien stammen, und je nach dem Zustand der Bakterienzellen selbst. Aktiv wachsende Zellen, die von einem Medientyp in denselben Medientyp mit denselben Umgebungsbedingungen übertragen werden, haben die kürzeste Verzögerungszeit. Beschädigte Zellen haben eine lange Verzögerungszeit, da sie sich selbst reparieren müssen, bevor sie sich vermehren können.

Typischerweise synthetisieren Zellen in der Verzögerungszeit RNA, Enzyme und essentielle Metaboliten, die in ihrer neuen Umgebung fehlen könnten (z. B. Wachstumsfaktoren oder Makromoleküle), und passen sich an Umweltveränderungen an, wie z. B. Veränderungen der Temperatur, des pH-Werts oder der Sauerstoffverfügbarkeit. Sie können auch notwendige Reparaturen an verletzten Zellen vornehmen.

Exponential- oder Log-Phase

Wenn die Zellen alles angesammelt haben, was sie für ihr Wachstum benötigen, beginnen sie mit der Zellteilung. Die exponentielle oder logarithmische Wachstumsphase ist durch eine vorhersehbare Verdoppelung der Population gekennzeichnet, bei der aus einer Zelle zwei Zellen werden, aus vier Zellen vier, aus acht usw. Optimale Bedingungen für die Zellen führen zu einem sehr schnellen Wachstum (und einem steileren Anstieg der Wachstumskurve), während weniger ideale Bedingungen zu einem langsameren Wachstum führen. Zellen in der exponentiellen Wachstumsphase sind am gesündesten und gleichmäßigsten, weshalb in den meisten Experimenten Zellen aus dieser Phase verwendet werden.

Da das Wachstum in dieser Phase vorhersehbar ist, kann diese Phase zur mathematischen Berechnung der Zeit verwendet werden, die die Bakterienpopulation benötigt, um ihre Anzahl zu verdoppeln, was als Generationszeit (g) bezeichnet wird. Diese Information wird von Mikrobiologen in der Grundlagenforschung wie auch in der Industrie genutzt. Zur Bestimmung der Generationszeit kann der natürliche Logarithmus der Zellzahl gegen die Zeit aufgetragen werden (wobei die Einheiten je nach Wachstumsgeschwindigkeit der jeweiligen Population variieren können), wobei ein semilogarithmisches Diagramm verwendet wird, um eine Linie mit einer vorhersehbaren Steigung zu erzeugen.
Die Steigung der Linie ist gleich 0,301/g. Alternativ kann man sich auf die feste Beziehung zwischen der anfänglichen Anzahl der Zellen zu Beginn der exponentiellen Phase und der Anzahl der Zellen nach einem bestimmten Zeitraum stützen, die wie folgt ausgedrückt werden kann:

\mathrm{N = N_{0}2^{n}}

wobei N die endgültige Zellkonzentration, N0 die anfängliche Zellkonzentration und n die Anzahl der Generationen ist, die zwischen dem angegebenen Zeitraum stattgefunden haben. Die Generationszeit (g) kann durch t/n dargestellt werden, wobei t die angegebene Zeitspanne in Minuten, Stunden, Tagen oder Monaten ist. Kennt man also die Zellkonzentration zu Beginn der exponentiellen Wachstumsphase und die Zellkonzentration nach einer bestimmten Zeit des exponentiellen Wachstums, kann man die Anzahl der Generationen berechnen. Anhand der Zeit, die das Wachstum andauerte (t), kann man dann g berechnen.

Stationäre Phase

Alle guten Dinge müssen ein Ende haben (sonst würden die Bakterien die Masse der Erde in 7 Tagen erreichen!) Irgendwann geht der Bakterienpopulation ein wichtiger Nährstoff/eine wichtige Chemikalie aus, oder ihr Wachstum wird durch ihre eigenen Abfallprodukte (es handelt sich um einen geschlossenen Behälter, schon vergessen?) oder durch Platzmangel gehemmt, so dass die Zellen in die stationäre Phase eintreten. Zu diesem Zeitpunkt ist die Zahl der neu gebildeten Zellen gleich der Zahl der absterbenden Zellen oder das Wachstum hat ganz aufgehört, was zu einer Abflachung des Wachstums auf der Wachstumskurve führt.

Physiologisch gesehen verändern sich die Zellen in diesem Stadium, da sie versuchen, sich an die neuen Hungerbedingungen anzupassen. Die wenigen neuen Zellen, die gebildet werden, sind kleiner und die Bazillen haben eine fast kugelförmige Gestalt. Ihre Plasmamembran wird weniger flüssig und durchlässig, mit mehr hydrophoben Molekülen auf der Oberfläche, die die Zelladhäsion und -aggregation fördern. Das Nukleoid kondensiert und die DNA wird mit DNA-bindenden Proteinen aus ausgehungerten Zellen (DPS) gebunden, um die DNA vor Schäden zu schützen. Diese Veränderungen sollen es der Zelle ermöglichen, längere Zeit unter ungünstigen Bedingungen zu überleben, während sie auf optimalere Bedingungen (z. B. eine Nährstoffzufuhr) wartet. Diese Strategien werden auch von Zellen in oligotrophen oder nährstoffarmen Umgebungen angewandt. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass Zellen in der natürlichen Welt (d. h. außerhalb des Labors) typischerweise über lange Zeiträume in oligotrophen Umgebungen existieren und nur sporadisch Nährstoffe zugeführt werden, die sie für sehr kurze Zeiträume wieder in ein exponentielles Wachstum versetzen.

Während der stationären Phase neigen Zellen auch dazu, sekundäre Metaboliten oder Metaboliten zu produzieren, die nach aktivem Wachstum entstehen, wie z. B. Antibiotika. Zellen, die in der Lage sind, eine Endospore zu bilden, aktivieren in dieser Phase die notwendigen Gene, um den Sporulationsprozess einzuleiten.

Todes- oder Absterbephase

In der letzten Phase der Wachstumskurve, der Todes- oder Absterbephase, nimmt die Zahl der lebensfähigen Zellen in einer vorhersehbaren (oder exponentiellen) Weise ab. Die Steilheit der Kurve gibt an, wie schnell die Zellen ihre Lebensfähigkeit verlieren. Man geht davon aus, dass sich die Kulturbedingungen bis zu einem Punkt verschlechtert haben, an dem die Zellen irreparabel geschädigt sind, da die in dieser Phase entnommenen Zellen kein Wachstum mehr zeigen, wenn sie in frisches Medium übertragen werden. Wird die Trübung einer Kultur zur Bestimmung der Zelldichte gemessen, so ist zu beachten, dass die Messwerte in dieser Phase möglicherweise nicht abnehmen, da die Zellen noch intakt sein könnten.

Es wurde vorgeschlagen, dass die für tot gehaltenen Zellen unter bestimmten Bedingungen wiederbelebt werden können, ein Zustand, der als lebensfähig, aber nicht kultivierbar (VBNC) bezeichnet wird. Dieser Zustand könnte für Krankheitserreger von Bedeutung sein, die in einen Zustand mit sehr niedrigem Stoffwechsel und fehlender Zellteilung eintreten, um dann zu einem späteren Zeitpunkt, wenn sich die Bedingungen verbessern, wieder zu wachsen.

Es hat sich auch gezeigt, dass ein 100%iger Zelltod für jede Zellpopulation unwahrscheinlich ist, da die Zellen mutieren, um sich an ihre Umweltbedingungen anzupassen, egal wie rau sie sind. Häufig wird ein Tailing-Effekt beobachtet, bei dem eine kleine Zellpopulation nicht abgetötet werden kann. Darüber hinaus könnten diese Zellen vom Absterben ihrer Artgenossen profitieren, die Nährstoffe an die Umgebung abgeben, wenn sie lysieren und ihren Zellinhalt freisetzen.