Mikrobit voivat kasvaa hyvin nopeasti, jos niillä on oikeat olosuhteet (ruoka, oikea lämpötila jne.). Tilanteesta riippuen tämä voi olla ihmiselle hyvä asia (hiivan kasvaminen vierteessä oluen valmistamiseksi) tai huono asia (bakteerien kasvaminen kurkussa aiheuttaen streptokokin). On tärkeää tuntea niiden kasvu, jotta voimme ennustaa tai kontrolloida niiden kasvua tietyissä olosuhteissa.

Vaikka mutisellulaaristen organismien kasvua mitataan yleensä yksittäisen organismin koon kasvuna, mikrobien kasvua mitataan populaation kasvuna, joko mittaamalla solujen lukumäärän kasvua tai kokonaismassan kasvua.

Bakteerien jakautuminen

Bakteerit ja arkeologit lisääntyvät vain suvuttomasti, kun taas eukartyootit mikrobit voivat lisääntyä joko suvullisesti tai suvuttomasti. Bakteerit ja arkeologit osallistuvat yleisimmin binääriseksi jakautumiseksi kutsuttuun prosessiin, jossa yksi solu jakautuu kahdeksi yhtä suureksi soluksi. Muita, harvinaisempia prosesseja voivat olla moninkertainen jakautuminen, nuppuuntuminen ja itiöiden tuottaminen.

Prosessi alkaa solun pidentymisellä, joka edellyttää solukalvon ja soluseinän varovaista laajentumista solun tilavuuden kasvun lisäksi. Solu alkaa monistaa DNA:nsa valmistautuakseen siihen, että sillä on kaksi kromosomikopiota, yksi kutakin uutta solua varten. Proteiini FtsZ on välttämätön väliseinän muodostumiselle, joka näkyy aluksi renkaana pidentyneen solun keskellä. Kun nukleoidit ovat jakautuneet pitkulaisen solun kumpaankin päähän, septumin muodostuminen on valmis, jolloin pitkulainen solu jakautuu kahdeksi samankokoiseksi tytärsoluksi. Koko prosessi eli solusykli voi kestää vain 20 minuuttia aktiivisessa E. coli -bakteeriviljelmässä.

Kasvukäyrä

Koska bakteereja on helppo kasvattaa laboratoriossa, niiden kasvua on tutkittu paljon. On todettu, että suljetussa järjestelmässä tai panosviljelyssä (ei lisättyä ravintoa, ei poistettuja jätteitä) bakteerit kasvavat ennustettavalla kaavalla, jonka tuloksena syntyy kasvukäyrä, joka koostuu neljästä erillisestä kasvuvaiheesta: viive-, eksponentiaali- tai log-vaiheesta, stationaarivaiheesta ja kuolema- tai laskuvaiheesta. Lisäksi tästä kasvukäyrästä voidaan laskea tietyn organismin sukupolven aika – aika, joka kuluu populaation kaksinkertaistumiseen.

Kunkin kasvukäyrän yksityiskohdat (solujen lukumäärä, kunkin vaiheen pituus, kasvun tai kuoleman nopeus, kokonaiskesto) vaihtelevat eri organismeissa tai jopa saman organismin eri olosuhteissa. Neljän erillisen kasvuvaiheen malli pysyy kuitenkin tyypillisesti samana.

Lag-vaihe

Lag-vaihe on sopeutumisjakso, jolloin bakteerit sopeutuvat uusiin olosuhteisiinsa. Viivytysvaiheen pituus voi vaihdella huomattavasti sen mukaan, miten erilaiset olosuhteet ovat kuin olosuhteet, joista bakteerit tulivat, sekä bakteerisolujen itsensä kunnon mukaan. Aktiivisesti kasvavilla soluilla, jotka siirretään tietyntyyppisestä väliaineesta samantyyppiseen väliaineeseen, jossa on samat ympäristöolosuhteet, on lyhin viiveaika. Vaurioituneilla soluilla on pitkä viiveaika, koska niiden on korjattava itsensä, ennen kuin ne voivat ryhtyä lisääntymään.

Tyypillisesti viiveajassa olevat solut syntetisoivat RNA:ta, entsyymejä ja välttämättömiä aineenvaihduntatuotteita, jotka saattavat puuttua niiden uudesta ympäristöstä (kuten kasvutekijöitä tai makromolekyylejä), sekä sopeutuvat ympäristön muutoksiin, kuten lämpötilan, pH:n tai hapen saatavuuden muutoksiin. Ne voivat myös ryhtyä tarvittaviin vaurioituneiden solujen korjauksiin.

Exponentiaali- tai lokivaihe

Kun solut ovat keränneet kaiken kasvuun tarvitsemansa, ne siirtyvät solunjakautumiseen. Kasvun eksponentti- tai log-vaiheelle on ominaista populaation ennustettava kaksinkertaistuminen, jolloin yhdestä solusta tulee kaksi solua, tulee neljä, tulee kahdeksan jne. Soluille optimaaliset olosuhteet johtavat hyvin nopeaan kasvuun (ja kasvukäyrän jyrkempään kaltevuuteen), kun taas vähemmän ihanteelliset olosuhteet johtavat hitaampaan kasvuun. Eksponentiaalisessa kasvuvaiheessa olevat solut ovat terveimpiä ja tasaisimpia, mikä selittää, miksi useimmissa kokeissa käytetään tämän vaiheen soluja.

Johtuen kasvun ennustettavuudesta tässä vaiheessa, tätä vaihetta voidaan käyttää matemaattisesti laskemaan aika, joka kuluu bakteeripopulaation määrän kaksinkertaistumiseen, jota kutsutaan sukupolviajaksi (g). Mikrobiologit käyttävät tätä tietoa sekä perustutkimuksessa että teollisuudessa. Sukusiitosajan määrittämiseksi solujen lukumäärän luonnollinen logaritmi voidaan piirtää ajan suhteen (yksiköt voivat vaihdella riippuen tietyn populaation kasvunopeudesta) käyttäen puolilogaritmista kuvaajaa, jolloin saadaan aikaan viiva, jonka kaltevuus on ennustettavissa.
Viivan kaltevuus on 0,301/g. Vaihtoehtoisesti voidaan luottaa eksponentiaalivaiheen alussa olevan solujen alkumäärän ja tietyn ajanjakson jälkeen olevan solumäärän väliseen kiinteään suhteeseen, joka voidaan ilmaista seuraavasti:

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

jossa N on solujen loppupitoisuus, N0 on solujen alkupitoisuus ja n on tietyn ajanjakson välisenä aikana tapahtuneiden sukupolvien lukumäärä. Sukupolven aika (g) voidaan esittää muodossa t/n, jossa t on määritelty ajanjakso minuutteina, tunteina, päivinä tai kuukausina. Näin ollen, jos tiedetään solupitoisuus eksponentiaalisen kasvuvaiheen alussa ja solupitoisuus tietyn eksponentiaalisen kasvujakson jälkeen, voidaan laskea sukupolvien lukumäärä. Sitten käyttämällä aikaa, jonka kasvun annettiin jatkua (t), voidaan laskea g.

Tukivaihe

Kaiken hyvän täytyy loppua (muuten bakteerit olisivat maapallon massan verran 7 päivässä!). Jossain vaiheessa bakteeripopulaatiosta loppuu jokin välttämätön ravintoaine/kemiallinen aine tai sen kasvua estävät sen omat jätetuotteet (kyseessä on suljettu säiliö, muistatteko?) tai fyysisen tilan puute, jolloin solut siirtyvät stationaarivaiheeseen. Tässä vaiheessa syntyvien uusien solujen määrä on yhtä suuri kuin kuolevien solujen määrä tai kasvu on kokonaan loppunut, mikä johtaa kasvun tasaantumiseen kasvukäyrällä.

Fysiologisesti solut muuttuvat tässä vaiheessa aivan erilaisiksi, kun ne yrittävät sopeutua uusiin nälkiintymisolosuhteisiinsa. Ne harvat uudet solut, joita syntyy, ovat kooltaan pienempiä, ja bakteereista tulee lähes pallomaisia. Niiden plasmakalvo muuttuu vähemmän nestemäiseksi ja läpäiseväksi, ja niiden pinnalla on enemmän hydrofobisia molekyylejä, jotka edistävät solujen tarttumista ja aggregaatiota. Nukleoidi tiivistyy ja DNA sitoutuu nälkiintyneistä soluista peräisin oleviin DNA:ta sitoviin proteiineihin (DPS), jotka suojaavat DNA:ta vaurioilta. Muutokset on suunniteltu siten, että solu voi selviytyä pidempään epäsuotuisissa olosuhteissa odottaessaan optimaalisempia olosuhteita (kuten ravinteiden infuusiota). Näitä samoja strategioita käyttävät solut oligotrofisissa tai vähäravinteisissa ympäristöissä. On oletettu, että luonnossa (eli laboratorion ulkopuolella) solut elävät tyypillisesti pitkiä aikoja oligotrofisissa ympäristöissä ja saavat vain satunnaisesti ravinteita, jotka palauttavat ne eksponentiaaliseen kasvuun hyvin lyhyiksi ajoiksi.

Solut tuottavat stationaarivaiheen aikana myös herkästi sekundaarisia aineenvaihduntatuotteita tai aktiivisen kasvun jälkeen syntyviä aineenvaihduntatuotteita, kuten antibiootteja. Solut, jotka kykenevät valmistamaan endosporeja, aktivoivat tässä vaiheessa tarvittavat geenit aloittaakseen sporulaatioprosessin.

Kuolema- tai laskuvaihe

Kasvukäyrän viimeisessä vaiheessa, kuolema- tai laskuvaiheessa, elinkelpoisten solujen määrä vähenee ennustettavalla (tai eksponentiaalisella) tavalla. Kaltevuuden jyrkkyys vastaa sitä, kuinka nopeasti solut menettävät elinkelpoisuutensa. Uskotaan, että viljelyolosuhteet ovat huonontuneet siinä määrin, että solut ovat vahingoittuneet peruuttamattomasti, koska tässä vaiheessa kerätyt solut eivät enää kasva, kun ne siirretään tuoreeseen elatusaineeseen. On tärkeää huomata, että jos viljelmän sameutta mitataan solutiheyden määrittämiseksi, mittaukset eivät välttämättä vähene tämän vaiheen aikana, koska solut voivat edelleen olla ehjiä.

On esitetty, että kuolleiksi luullut solut saattavat herätä henkiin tietyissä olosuhteissa, ja tätä tilaa kutsutaan nimellä elinkelpoinen, mutta ei viljeltävissä oleva (VBNC). Tällä tilalla saattaa olla merkitystä patogeeneille, joissa ne siirtyvät tilaan, jossa aineenvaihdunta on hyvin vähäistä ja solujen jakautuminen puuttuu, ja jatkavat kasvuaan myöhemmin, kun olosuhteet paranevat.

On myös osoitettu, että 100-prosenttinen solukuolema on epätodennäköistä mille tahansa solupopulaatiolle, koska solut muuntuvat sopeutuakseen ympäristöolosuhteisiinsa, vaikka ne olisivat kuinka ankarat. Usein havaitaan tailing-ilmiö, jossa pientä solupopulaatiota ei voida tappaa. Lisäksi nämä solut saattavat hyötyä muiden solujensa kuolemasta, sillä ne tuottavat ravinteita ympäristöön, kun ne liukenevat ja vapauttavat solujensa sisällön.