A megfelelő körülmények között (táplálék, megfelelő hőmérséklet stb.) a mikrobák nagyon gyorsan növekedhetnek. A helyzettől függően ez lehet jó dolog az ember számára (élesztő, amely a sörkészítéshez szükséges sörlében növekszik) vagy rossz dolog (baktérium, amely a torkodban növekszik és torokgyulladást okoz). Fontos, hogy ismereteink legyenek a növekedésükről, hogy megjósolhassuk vagy szabályozhassuk a növekedésüket bizonyos körülmények között.

Míg a muticelluláris szervezetek növekedését általában az egyes szervezetek méretének növekedésével mérik, a mikrobák növekedését a populáció növekedésével mérik, akár a sejtek számának növekedését, akár a teljes tömeg növekedését mérik.

Baktériumosztódás

A baktériumok és az archaea csak aszexuálisan szaporodnak, míg az eukartyotikus mikrobák ivaros vagy aszexuális szaporodásban egyaránt részt vehetnek. A baktériumok és az archaea leggyakrabban a bináris hasadásnak nevezett folyamatban vesznek részt, amikor egy sejt két egyforma méretű sejtre osztódik. Más, kevésbé gyakori folyamatok közé tartozhat a többszörös hasadás, a rügyfakadás és a spóratermelés.

A folyamat a sejtnyúlással kezdődik, amely a sejttérfogat növekedése mellett a sejtmembrán és a sejtfal gondos megnagyobbodását is igényli. A sejt elkezdi DNS-ének sokszorosítását, felkészülve arra, hogy kromoszómájának két példánya legyen, egy-egy példány minden egyes újonnan képződött sejthez. Az FtsZ fehérje nélkülözhetetlen a szeptum kialakulásához, amely kezdetben gyűrűként jelenik meg a megnyúlt sejt közepén. Miután a nukleoidok a megnyúlt sejt mindkét végére szegregálódtak, a szeptumképződés befejeződik, és a megnyúlt sejt két egyforma méretű leánysejtre oszlik. Az egész folyamat vagy sejtciklus mindössze 20 percig tarthat egy aktív E. coli baktériumkultúra esetében.

Növekedési görbe

Mivel a baktériumok könnyen termeszthetők a laboratóriumban, növekedésüket széles körben tanulmányozták. Megállapították, hogy a baktériumok zárt rendszerben vagy szakaszos tenyésztésben (táplálék hozzáadása és hulladékok eltávolítása nélkül) kiszámítható mintázat szerint növekednek, ami egy növekedési görbét eredményez, amely négy különböző növekedési fázisból áll: a lag fázis, az exponenciális vagy log fázis, a stacionárius fázis és az elhalási vagy hanyatlási fázis. Ezen kívül ez a növekedési görbe adhatja meg egy adott organizmus generációs idejét – azt az időtartamot, amely alatt a populáció megduplázódik.

Az egyes növekedési görbékkel kapcsolatos részletek (a sejtek száma, az egyes fázisok hossza, a növekedés vagy elhalás gyorsasága, a teljes időtartam) szervezetenként vagy akár ugyanazon szervezet különböző körülményei között is változhatnak. A négy különböző növekedési fázis mintája azonban jellemzően megmarad.

Lag fázis

A lag fázis egy adaptációs időszak, amikor a baktériumok alkalmazkodnak az új körülményekhez. A lag-fázis hossza jelentősen változhat, attól függően, hogy a körülmények mennyire különböznek azoktól a körülményektől, ahonnan a baktériumok érkeztek, valamint magukat a baktériumsejtek állapotát tekintve. Az egyik típusú táptalajról ugyanolyan típusú táptalajra, azonos környezeti feltételek mellett átvitt, aktívan növekvő sejtek rendelkeznek a legrövidebb lag-időszakkal. A sérült sejteknek hosszú lag-időszakuk lesz, mivel meg kell javítaniuk magukat, mielőtt szaporodni tudnának.

A lag-időszakban lévő sejtek jellemzően RNS-t, enzimeket és olyan alapvető metabolitokat szintetizálnak, amelyek az új környezetükből hiányozhatnak (például növekedési faktorok vagy makromolekulák), valamint alkalmazkodnak a környezeti változásokhoz, például a hőmérséklet, a pH vagy az oxigén elérhetőségének változásaihoz. A sérült sejtek esetlegesen szükséges javítását is vállalhatják.

Exponenciális vagy Log-fázis

Mihelyt a sejtek felhalmoztak mindent, amire a növekedéshez szükségük van, sejtosztódásba kezdenek. A növekedés exponenciális vagy logfázisát a populáció kiszámítható megduplázódása jellemzi, ahol 1 sejtből 2 sejt lesz, 4 lesz, 8 lesz stb. A sejtek számára optimális körülmények nagyon gyors növekedést (és a növekedési görbe meredekebb lejtését), míg az ideálisnál kevésbé ideális körülmények lassabb növekedést eredményeznek. Az exponenciális növekedési fázisban lévő sejtek a legegészségesebbek és legegyenletesebbek, ami megmagyarázza, hogy a legtöbb kísérletben miért ebből a fázisból származó sejteket használnak.

A növekedés kiszámíthatósága miatt ebben a fázisban ez a fázis felhasználható a baktériumpopuláció számának megduplázódásához szükséges idő, az úgynevezett generációs idő (g) matematikai kiszámításához. Ezt az információt a mikrobiológusok használják az alapkutatásban, valamint az iparban. A generációs idő meghatározásához a sejtszám természetes logaritmusát az idő függvényében ábrázolhatjuk (ahol az egységek az adott populáció növekedési sebességétől függően változhatnak), egy féllogaritmikus grafikon segítségével, hogy egy kiszámítható meredekségű egyenest hozzunk létre.
A vonal meredeksége 0,301/g. Alternatívaként támaszkodhatunk az exponenciális fázis kezdetén a kezdeti sejtek száma és a sejtek száma között bizonyos idő elteltével fennálló rögzített összefüggésre, amely a következőképpen fejezhető ki:

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

amelyben N a végső sejtkoncentráció, N0 a kezdeti sejtkoncentráció és n a megadott időszak között bekövetkezett generációk száma. A generációs idő (g) t/n-nel ábrázolható, ahol t a megadott időtartam percekben, órákban, napokban vagy hónapokban. Így, ha ismerjük a sejtkoncentrációt a növekedés exponenciális fázisának kezdetén és a sejtkoncentrációt az exponenciális növekedés bizonyos időszaka után, kiszámítható a generációk száma. Ezután a növekedés időtartamának (t) felhasználásával kiszámítható a g.

Stacionárius fázis

Minden jónak egyszer vége szakad (különben a baktériumok 7 nap alatt elérnék a Föld tömegét!). Egy bizonyos ponton a baktériumpopulációból elfogy egy lényeges tápanyag/kémiai anyag, vagy a növekedését gátolják a saját salakanyagai (ez egy zárt tartály, emlékszel?) vagy a fizikai tér hiánya, ami miatt a sejtek a stacionárius fázisba lépnek. Ekkor a keletkező új sejtek száma megegyezik az elpusztuló sejtek számával, vagy a növekedés teljesen leállt, ami a növekedési görbén a növekedés ellaposodását eredményezi.

Fiziológiailag a sejtek ebben a szakaszban egészen mássá válnak, mivel megpróbálnak alkalmazkodni az új éhezési körülményekhez. Az a néhány új sejt, amelyik keletkezik, kisebb méretű, a bacilusok szinte gömb alakúvá válnak. Plazmamembránjuk kevésbé folyékonnyá és áteresztővé válik, a felszínen több hidrofób molekula található, amelyek elősegítik a sejtek tapadását és aggregációját. A nukleoid kondenzálódik, és a DNS a kiéheztetett sejtekből származó DNS-kötő fehérjékkel (DPS) kötődik, hogy megvédje a DNS-t a károsodástól. A változások célja, hogy a sejt hosszabb ideig tudjon túlélni kedvezőtlen körülmények között, miközben optimálisabb körülményekre (például tápanyag-infúzióra) vár. Ugyanezeket a stratégiákat alkalmazzák a sejtek oligotróf vagy tápanyagszegény környezetben is. Feltételezések szerint a sejtek a természetben (azaz a laboratóriumon kívül) jellemzően hosszú ideig léteznek oligotróf környezetben, és csak szórványosan kapnak tápanyagot, ami nagyon rövid időre visszavezeti őket az exponenciális növekedésbe.

A stacionárius fázisban a sejtek hajlamosak másodlagos metabolitok vagy az aktív növekedés után keletkező metabolitok, például antibiotikumok termelésére is. Az endospóra előállítására képes sejtek ebben a szakaszban aktiválják a szükséges géneket, hogy beindítsák a sporulációs folyamatot.

Halál vagy hanyatlási fázis

A növekedési görbe utolsó fázisában, a halál vagy hanyatlási fázisban az életképes sejtek száma kiszámítható (vagy exponenciális) módon csökken. A meredekség meredeksége megfelel annak, hogy a sejtek milyen gyorsan veszítik el életképességüket. Úgy gondolják, hogy a tenyésztési körülmények olyan mértékben romlottak, hogy a sejtek helyrehozhatatlanul károsodtak, mivel az ebben a fázisban gyűjtött sejtek nem mutatnak növekedést, amikor friss táptalajba helyezik őket. Fontos megjegyezni, hogy ha a tenyészet zavarosságát mérik a sejtsűrűség meghatározásának módjaként, a mérések nem feltétlenül csökkennek ebben a fázisban, mivel a sejtek még mindig épek lehetnek.

A felvetés szerint az elhaltnak vélt sejtek bizonyos körülmények között újraéleszthetők, ezt az állapotot életképes, de nem tenyészthető (VBNC) állapotnak nevezik. Ez az állapot a kórokozók esetében lehet fontos, ahol a kórokozók nagyon alacsony anyagcserével és a sejtosztódás hiányával jellemezhető állapotba kerülnek, hogy később, amikor a körülmények javulnak, újra növekedésnek induljanak.

Azt is kimutatták, hogy 100%-os sejthalál nem valószínű, bármely sejtpopuláció esetében, mivel a sejtek mutálódnak, hogy alkalmazkodjanak a környezeti feltételekhez, legyenek azok bármilyen zordak is. Gyakran megfigyelhető a “tailing effect”, amikor a sejtek egy kis populációja nem pusztul el. Ráadásul ezek a sejtek hasznot húzhatnak társaik halálából, amelyek tápanyagot biztosítanak a környezetnek, mivel lízisük során felszabadítják a sejtek tartalmát.