Si se dan las condiciones adecuadas (alimento, temperatura correcta, etc.) los microbios pueden crecer muy rápidamente. Dependiendo de la situación, esto puede ser algo bueno para los seres humanos (la levadura que crece en el mosto para hacer cerveza) o algo malo (las bacterias que crecen en tu garganta causando faringitis estreptocócica). Es importante tener conocimiento de su crecimiento, para poder predecir o controlar su crecimiento en condiciones particulares.

Mientras que el crecimiento de los organismos muticelulares se mide típicamente en términos del aumento de tamaño de un solo organismo, el crecimiento microbiano se mide por el aumento de la población, ya sea midiendo el aumento del número de células o el aumento de la masa total.

División bacteriana

Las bacterias y las arqueas se reproducen únicamente de forma asexual, mientras que los microbios eucariotas pueden participar en la reproducción sexual o asexual. Las bacterias y las arqueas suelen participar en un proceso conocido como fisión binaria, en el que una sola célula se divide en dos de igual tamaño. Otros procesos menos comunes pueden incluir la fisión múltiple, la gemación y la producción de esporas.

El proceso comienza con la elongación de la célula, que requiere una ampliación cuidadosa de la membrana y la pared celular, además de un aumento del volumen celular. La célula comienza a replicar su ADN, en preparación para tener dos copias de su cromosoma, una para cada célula recién formada. La proteína FtsZ es esencial para la formación de un tabique, que inicialmente se manifiesta como un anillo en el centro de la célula alargada. Una vez que los nucleoides se segregan a cada extremo de la célula alargada, se completa la formación del tabique, dividiendo la célula alargada en dos células hijas de igual tamaño. El proceso completo o ciclo celular puede durar tan sólo 20 minutos para un cultivo activo de la bacteria E. coli.

Curva de crecimiento

Dado que las bacterias son fáciles de cultivar en el laboratorio, su crecimiento se ha estudiado ampliamente. Se ha determinado que en un sistema cerrado o en un cultivo por lotes (sin adición de alimentos ni eliminación de desechos) las bacterias crecerán siguiendo un patrón predecible, lo que da lugar a una curva de crecimiento compuesta por cuatro fases distintas de crecimiento: la fase de retardo, la fase exponencial o logarítmica, la fase estacionaria y la fase de muerte o declive. Además, esta curva de crecimiento puede proporcionar el tiempo de generación de un organismo concreto, es decir, el tiempo que tarda la población en duplicarse.

Los detalles asociados a cada curva de crecimiento (número de células, duración de cada fase, rapidez del crecimiento o de la muerte, cantidad total de tiempo) variarán de un organismo a otro o incluso con diferentes condiciones para el mismo organismo. Pero el patrón de cuatro fases distintas de crecimiento se mantendrá normalmente.

Fase de retardo

La fase de retardo es un período de adaptación, en el que las bacterias se están ajustando a sus nuevas condiciones. La duración de la fase de retardo puede variar considerablemente, en función de lo diferentes que sean las condiciones de las que proceden las bacterias, así como del estado de las propias células bacterianas. Las células en crecimiento activo transferidas de un tipo de medio al mismo tipo de medio, con las mismas condiciones ambientales, tendrán el periodo de retardo más corto. Las células dañadas tendrán un largo periodo de retardo, ya que deben repararse a sí mismas antes de poder iniciar la reproducción.

Típicamente, las células en el periodo de retardo están sintetizando ARN, enzimas y metabolitos esenciales que podrían faltar en su nuevo entorno (como factores de crecimiento o macromoléculas), así como ajustándose a los cambios ambientales como los cambios de temperatura, pH o disponibilidad de oxígeno. También pueden emprender cualquier reparación necesaria de las células lesionadas.

Fase exponencial o logarítmica

Una vez que las células han acumulado todo lo que necesitan para crecer, proceden a la división celular. La fase exponencial o logarítmica de crecimiento está marcada por duplicaciones predecibles de la población, en la que 1 célula se convierte en 2 células, se convierte en 4, se convierte en 8, etc. Las condiciones óptimas para las células darán lugar a un crecimiento muy rápido (y una pendiente más pronunciada en la curva de crecimiento), mientras que las condiciones menos ideales darán lugar a un crecimiento más lento. Las células en la fase exponencial de crecimiento son las más sanas y uniformes, lo que explica que la mayoría de los experimentos utilicen células de esta fase.

Debido a la previsibilidad del crecimiento en esta fase, ésta puede utilizarse para calcular matemáticamente el tiempo que tarda la población bacteriana en duplicarse en número, conocido como tiempo de generación (g). Esta información es utilizada por los microbiólogos en la investigación básica, así como en la industria. Para determinar el tiempo de generación, se puede trazar el logaritmo natural del número de células frente al tiempo (donde las unidades pueden variar, dependiendo de la velocidad de crecimiento de la población particular), utilizando un gráfico semilogarítmico para generar una línea con una pendiente predecible.
La pendiente de la línea es igual a 0,301/g. Alternativamente se puede confiar en la relación fija entre el número inicial de células al comienzo de la fase exponencial y el número de células después de algún período de tiempo, que puede ser expresado por:

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

donde N es la concentración final de células, N0 es la concentración inicial de células, y n es el número de generaciones que ocurrieron entre el período de tiempo especificado. El tiempo de generación (g) puede representarse por t/n, siendo t el periodo de tiempo especificado en minutos, horas, días o meses. Así, si se conoce la concentración de células al inicio de la fase exponencial de crecimiento y la concentración de células después de un periodo de tiempo de crecimiento exponencial, se puede calcular el número de generaciones. Entonces, utilizando la cantidad de tiempo que se permitió el crecimiento (t), se puede calcular g.

Fase estacionaria

Todo lo bueno tiene que llegar a su fin (¡si no las bacterias equivaldrían a la masa de la Tierra en 7 días!). En algún momento la población bacteriana se queda sin un nutriente/químico esencial o su crecimiento se ve inhibido por sus propios productos de desecho (es un recipiente cerrado, ¿recuerdas?) o por la falta de espacio físico, haciendo que las células entren en la fase estacionaria. En este punto, el número de células nuevas que se producen es igual al número de células que mueren o el crecimiento ha cesado por completo, lo que da lugar a un aplanamiento del crecimiento en la curva de crecimiento.

Fisiológicamente, las células se vuelven muy diferentes en esta fase, ya que tratan de adaptarse a sus nuevas condiciones de inanición. Las pocas células nuevas que se producen son de menor tamaño y los bacilos adquieren una forma casi esférica. Su membrana plasmática se vuelve menos fluida y permeable, con más moléculas hidrofóbicas en la superficie que promueven la adhesión y la agregación celular. El nucleoide se condensa y el ADN se une a las proteínas de unión al ADN de las células inertes (DPS), para proteger el ADN de los daños. Los cambios están diseñados para permitir que la célula sobreviva durante más tiempo en condiciones adversas, mientras espera a que se den condiciones más óptimas (como una infusión de nutrientes). Estas mismas estrategias son utilizadas por las células en entornos oligotróficos o con pocos nutrientes. Se ha planteado la hipótesis de que las células en el mundo natural (es decir, fuera del laboratorio) suelen existir durante largos periodos de tiempo en entornos oligotróficos, con sólo infusiones esporádicas de nutrientes que les devuelven el crecimiento exponencial durante periodos de tiempo muy breves.

Durante la fase estacionaria las células también son propensas a producir metabolitos secundarios, o metabolitos producidos después del crecimiento activo, como los antibióticos. Las células que son capaces de fabricar una endospora activarán los genes necesarios durante esta fase, para iniciar el proceso de esporulación.

Fase de muerte o declive

En la última fase de la curva de crecimiento, la fase de muerte o declive, el número de células viables disminuye de forma predecible (o exponencial). La inclinación de la pendiente corresponde a la rapidez con la que las células pierden viabilidad. Se cree que las condiciones de cultivo se han deteriorado hasta un punto en el que las células están irremediablemente dañadas, ya que las células recogidas en esta fase no muestran crecimiento cuando se transfieren a un medio fresco. Es importante señalar que si se mide la turbidez de un cultivo como forma de determinar la densidad celular, las mediciones podrían no disminuir durante esta fase, ya que las células podrían seguir intactas.

Se ha sugerido que las células que se consideran muertas podrían revivir en condiciones específicas, un estado descrito como viable pero no cultivable (VBNC). Este estado podría ser importante para los patógenos, donde entran en un estado de metabolismo muy bajo y falta de división celular, sólo para reanudar el crecimiento en un momento posterior, cuando las condiciones mejoran.

También se ha demostrado que la muerte celular al 100% es poco probable, para cualquier población celular, ya que las células mutan para adaptarse a sus condiciones ambientales, por duras que sean. A menudo se observa un efecto de cola, en el que una pequeña población de células no puede ser eliminada. Además, estas células podrían beneficiarse de la muerte de sus congéneres, que proporcionan nutrientes al entorno al lisarse y liberar su contenido celular.