Disposto com as condições certas (alimento, temperatura correta, etc.) os micróbios podem crescer muito rapidamente. Dependendo da situação, isto poderia ser uma coisa boa para humanos (fermento crescendo em mosto para fazer cerveja) ou uma coisa ruim (bactérias crescendo em sua garganta causando estreptococos). É importante ter conhecimento de seu crescimento, assim podemos prever ou controlar seu crescimento sob condições particulares.

Embora o crescimento de organismos muticelluares seja tipicamente medido em termos do aumento do tamanho de um único organismo, o crescimento microbiano é medido pelo aumento da população, seja medindo o aumento do número de células ou o aumento da massa total.

Divisão bacteriana

Bactérias e arquebactérias reproduzem-se assexuadamente apenas, enquanto micróbios eucartióticos podem se envolver em reprodução sexual ou assexuada. Bactérias e arquebactérias geralmente se envolvem em um processo conhecido como fissão binária, onde uma única célula se divide em duas células de igual tamanho. Outros processos menos comuns podem incluir fissão múltipla, brotação e produção de esporos.

O processo começa com o alongamento celular, que requer um cuidadoso aumento da membrana e da parede celular, além de um aumento no volume celular. A célula começa a replicar seu DNA, em preparação para ter duas cópias de seu cromossomo, uma para cada célula recém-formada. A proteína FtsZ é essencial para a formação de um septo, que inicialmente se manifesta como um anel no meio da célula alongada. Após a separação dos nucleóides em cada extremidade da célula alongada, a formação do septo é completada, dividindo a célula alongada em duas células filhas de igual tamanho. Todo o processo ou ciclo celular pode levar apenas 20 minutos para uma cultura ativa de bactérias E. coli.

Curva de Crescimento

Desde que as bactérias são fáceis de crescer no laboratório, o seu crescimento tem sido estudado extensivamente. Foi determinado que em um sistema fechado ou cultura em lote (sem adição de alimentos, sem remoção de resíduos) as bactérias crescerão em um padrão previsível, resultando em uma curva de crescimento composta de quatro fases distintas de crescimento: a fase de defasagem, a fase exponencial ou de log, a fase estacionária, e a fase de morte ou declínio. Adicionalmente, essa curva de crescimento pode render tempo de geração para um determinado organismo – a quantidade de tempo que a população leva para dobrar.

Os detalhes associados a cada curva de crescimento (número de células, comprimento de cada fase, rapidez de crescimento ou morte, quantidade total de tempo) variarão de organismo para organismo ou mesmo com condições diferentes para o mesmo organismo. Mas o padrão de quatro fases distintas de crescimento normalmente permanecerá.

Fase de atraso

A fase de atraso é um período de adaptação, onde as bactérias estão se ajustando às suas novas condições. A duração da fase de retardamento pode variar consideravelmente, com base na diferença entre as condições de origem das bactérias e as condições das próprias células bacterianas. As células em crescimento ativo transferidas de um tipo de meio para o mesmo tipo de meio, com as mesmas condições ambientais, terão o menor período de retardamento. As células danificadas terão um longo período de retardamento, uma vez que terão de se reparar antes de se poderem reproduzir.

As células tipicamente no período de retardamento estão a sintetizar RNA, enzimas e metabolitos essenciais que possam estar ausentes do seu novo ambiente (tais como factores de crescimento ou macromoléculas), bem como a ajustar-se às mudanças ambientais, tais como mudanças na temperatura, pH, ou disponibilidade de oxigénio. Elas também podem estar realizando qualquer reparo necessário nas células lesadas.

Exponencial ou Log phase

Após as células terem acumulado tudo o que precisam para o crescimento, elas procedem à divisão celular. A fase exponencial ou logarítmica de crescimento é marcada por duplicações previsíveis da população, onde 1 célula se torna 2 células, passa a 4, passa a 8 etc. Condições ideais para as células resultarão num crescimento muito rápido (e uma inclinação mais acentuada na curva de crescimento), enquanto que condições inferiores às ideais resultarão num crescimento mais lento. As células na fase exponencial de crescimento são as mais saudáveis e uniformes, o que explica porque a maioria dos experimentos utiliza células desta fase.

Devido à previsibilidade do crescimento nesta fase, esta fase pode ser usada para calcular matematicamente o tempo que a população bacteriana leva para dobrar em número, conhecido como o tempo de geração (g). Esta informação é utilizada pelos microbiologistas na pesquisa básica, bem como na indústria. Para determinar o tempo de geração, o logaritmo natural do número de células pode ser traçado em relação ao tempo (onde as unidades podem variar, dependendo da velocidade de crescimento da população específica), usando um gráfico semilogarítmico para gerar uma linha com uma inclinação previsível.
A inclinação da linha é igual a 0,301/g. Alternativamente pode-se confiar na relação fixa entre o número inicial de células no início da fase exponencial e o número de células após algum período de tempo, que pode ser expresso por:

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

onde N é a concentração final de células, N0 é a concentração inicial de células, e n é o número de gerações que ocorreram entre o período de tempo especificado. O tempo de geração (g) pode ser representado por t/n, sendo t o período de tempo especificado em minutos, horas, dias ou meses. Assim, se se conhece a concentração celular no início da fase exponencial de crescimento e a concentração celular após algum período de tempo de crescimento exponencial, o número de gerações pode ser calculado. Então, usando a quantidade de tempo que se permitiu o crescimento (t), pode-se calcular g.

Fase estacionária

Todas as coisas boas devem chegar a um fim (caso contrário as bactérias seriam iguais à massa da Terra em 7 dias!). Em algum momento a população bacteriana fica sem um nutriente/químico essencial ou o seu crescimento é inibido pelos seus próprios resíduos (é um recipiente fechado, lembre-se?) ou falta de espaço físico, fazendo com que as células entrem na fase estacionária. Neste ponto, o número de novas células produzidas é igual ao número de células que morrem ou o crescimento cessa completamente, resultando num achatamento do crescimento na curva de crescimento.

Fisiologicamente as células tornam-se bastante diferentes nesta fase, à medida que tentam adaptar-se às suas novas condições de inanição. As poucas células novas que são produzidas são menores em tamanho, com os bacilos se tornando quase esféricos em forma. A sua membrana plasmática torna-se menos fluida e permeável, com mais moléculas hidrofóbicas na superfície que promovem a adesão e agregação celular. O nucleóide condensa e o DNA torna-se ligado a proteínas de ligação ao DNA a partir de células famintas (DPS), para proteger o DNA de danos. As mudanças são projetadas para permitir que a célula sobreviva por um período maior de tempo em condições adversas, enquanto espera por condições mais otimizadas (como uma infusão de nutrientes) para ocorrer. Estas mesmas estratégias são utilizadas pelas células em ambientes oligotróficos ou de baixo teor de nutrientes. Tem sido feita a hipótese de que as células no mundo natural (isto é, fora do laboratório) tipicamente existem por longos períodos de tempo em ambientes oligotróficos, com apenas infusões esporádicas de nutrientes que as devolvem ao crescimento exponencial por períodos muito curtos de tempo.

Durante a fase estacionária as células também são propensas a produzir metabolitos secundários, ou metabolitos produzidos após o crescimento ativo, como os antibióticos. Células que são capazes de fazer um endosporo ativarão os genes necessários durante esta fase, a fim de iniciar o processo de esporulação.

Fase de morte ou declínio

Na última fase da curva de crescimento, a fase de morte ou declínio, o número de células viáveis diminui de forma previsível (ou exponencial). A inclinação do declive corresponde à velocidade com que as células estão perdendo viabilidade. Pensa-se que as condições de cultura se deterioraram ao ponto de as células serem irremediavelmente prejudicadas, uma vez que as células recolhidas desta fase não mostram crescimento quando transferidas para o meio fresco. É importante notar que se a turbidez de uma cultura estiver sendo medida como uma forma de determinar a densidade celular, as medições podem não diminuir durante esta fase, uma vez que as células ainda podem estar intactas.

Tem sido sugerido que as células consideradas mortas podem ser revividas sob condições específicas, uma condição descrita como viável, mas não cultivável (VBNC). Este estado pode ser importante para patógenos, onde eles entram em um estado de metabolismo muito baixo e falta de divisão celular, apenas para retomar o crescimento em um momento posterior, quando as condições melhorarem.

Também foi demonstrado que 100% da morte celular é improvável, para qualquer população celular, uma vez que as células mudam para se adaptar às suas condições ambientais, por mais severas que sejam. Muitas vezes observa-se um efeito de cauda, em que uma pequena população das células não pode ser morta. Além disso, essas células podem se beneficiar da morte de suas células companheiras, que fornecem nutrientes ao meio ambiente à medida que mentem e liberam seu conteúdo celular.