Microben kunnen onder de juiste omstandigheden (voedsel, de juiste temperatuur, enz.) zeer snel groeien. Afhankelijk van de situatie kan dat goed voor de mens zijn (gist groeit in wort om bier te maken) of slecht (bacteriën groeien in je keel en veroorzaken keelontsteking). Het is belangrijk om kennis te hebben van hun groei, zodat we hun groei onder bepaalde omstandigheden kunnen voorspellen of beheersen.

Terwijl groei bij mutagene organismen doorgaans wordt gemeten in termen van de toename in grootte van een enkel organisme, wordt microbiële groei gemeten aan de hand van de toename in populatie, hetzij door de toename in celaantal te meten, hetzij door de toename in totale massa te meten.

Bacteriële deling

Bacteriën en archaea planten zich uitsluitend ongeslachtelijk voort, terwijl eukartyotische microben zich zowel geslachtelijk als ongeslachtelijk kunnen voortplanten. Bacteriën en archaea planten zich meestal voort via een proces dat binaire splijting wordt genoemd, waarbij een enkele cel zich splitst in twee even grote cellen. Andere, minder gebruikelijke processen zijn meervoudige splijting, knopvorming en de productie van sporen.

Het proces begint met celverlenging, waarvoor een zorgvuldige vergroting van het celmembraan en de celwand nodig is, naast een toename van het celvolume. De cel begint zijn DNA te repliceren, als voorbereiding op het hebben van twee kopieën van zijn chromosoom, één voor elke nieuw gevormde cel. Het eiwit FtsZ is essentieel voor de vorming van een septum, dat zich aanvankelijk manifesteert als een ring in het midden van de langgerekte cel. Nadat de nucleoïden naar elk uiteinde van de langgerekte cel zijn gesegregeerd, is de vorming van het tussenschot voltooid en wordt de langgerekte cel in twee even grote dochtercellen gesplitst. Het gehele proces of de celcyclus kan slechts 20 minuten duren voor een actieve cultuur van E. coli-bacteriën.

Groeicurve

Omdat bacteriën gemakkelijk in het laboratorium te kweken zijn, is hun groei uitvoerig bestudeerd. Er is vastgesteld dat bacteriën in een gesloten systeem of batchcultuur (geen voedsel toegevoegd, geen afval verwijderd) volgens een voorspelbaar patroon groeien, wat resulteert in een groeicurve die uit vier afzonderlijke groeifasen bestaat: de vertragingsfase, de exponentiële of logfase, de stationaire fase, en de sterfte- of afnamefase. Bovendien kan deze groeicurve de generatietijd voor een bepaald organisme opleveren – de tijd die de populatie nodig heeft om te verdubbelen.

De details van elke groeicurve (aantal cellen, duur van elke fase, snelheid van groei of sterfte, totale tijdsduur) zullen verschillen van organisme tot organisme of zelfs met verschillende omstandigheden voor hetzelfde organisme. Maar het patroon van vier afzonderlijke groeifasen zal doorgaans blijven bestaan.

Lag-fase

De lag-fase is een aanpassingsperiode, waarin de bacteriën zich aan hun nieuwe omstandigheden aanpassen. De lengte van de lag-fase kan aanzienlijk variëren, afhankelijk van de mate waarin de omstandigheden verschillen van de omstandigheden waaruit de bacterie afkomstig is, en van de conditie van de bacteriecellen zelf. Actief groeiende cellen die van een bepaald soort medium worden overgebracht naar hetzelfde soort medium, met dezelfde omgevingscondities, zullen de kortste lageperiode hebben. Beschadigde cellen hebben een lange lageperiode, omdat zij eerst moeten herstellen voordat zij zich kunnen voortplanten.

Typisch is dat cellen in de lageperiode RNA, enzymen en essentiële metabolieten synthetiseren die in hun nieuwe omgeving kunnen ontbreken (zoals groeifactoren of macromoleculen), en zich aanpassen aan veranderingen in de omgeving, zoals veranderingen in temperatuur, pH, of zuurstofbeschikbaarheid. Zij kunnen ook alle noodzakelijke reparaties van beschadigde cellen uitvoeren.

Exponentiële of log-fase

Als cellen alles hebben verzameld wat zij voor groei nodig hebben, gaan zij over tot celdeling. De exponentiële of log-fase van de groei wordt gekenmerkt door voorspelbare verdubbelingen van de populatie, waarbij 1 cel 2 cellen wordt, 4 cellen worden, 8 cellen worden, enz. Optimale omstandigheden voor de cellen resulteren in zeer snelle groei (en een steilere helling op de groeicurve), terwijl minder dan ideale omstandigheden resulteren in langzamere groei. Cellen in de exponentiële groeifase zijn het gezondst en het meest uniform, wat verklaart waarom de meeste experimenten cellen uit deze fase gebruiken.

Dankzij de voorspelbaarheid van de groei in deze fase, kan deze fase worden gebruikt om wiskundig te berekenen hoe lang het duurt voordat de bacteriepopulatie in aantal is verdubbeld, de zogeheten generatietijd (g). Deze informatie wordt gebruikt door microbiologen in fundamenteel onderzoek, maar ook in de industrie. Om de generatietijd te bepalen kan de natuurlijke logaritme van het celaantal worden uitgezet tegen de tijd (waarbij de eenheden kunnen variëren, afhankelijk van de groeisnelheid van de betrokken populatie), met behulp van een semilogaritmische grafiek om een lijn met een voorspelbare helling te verkrijgen.
De helling van de lijn is gelijk aan 0,301/g. Als alternatief kan worden uitgegaan van de vaste relatie tussen het aanvankelijke aantal cellen bij het begin van de exponentiële fase en het aantal cellen na een bepaalde periode, die kan worden uitgedrukt als:

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

waarbij N de uiteindelijke celconcentratie is, N0 de aanvankelijke celconcentratie, en n het aantal generaties dat tussen de gespecificeerde periode is opgetreden. De generatietijd (g) kan worden weergegeven door t/n, waarbij t de gespecificeerde tijdsperiode is in minuten, uren, dagen of maanden. Als men dus de celconcentratie bij het begin van de exponentiële groeifase kent en de celconcentratie na een bepaalde periode van exponentiële groei, kan het aantal generaties worden berekend. Vervolgens kan men met behulp van de tijd die men de groei heeft laten voortduren (t), g berekenen.

Stationaire fase

Aan alle goede dingen komt een eind (anders zouden bacteriën in 7 dagen de massa van de aarde evenaren!). Op een bepaald moment raakt de bacteriële populatie door een tekort aan essentiële voedingsstoffen/chemicaliën heen of wordt de groei geremd door de eigen afvalstoffen (het is een gesloten vat, weet u nog?) of door gebrek aan fysieke ruimte, waardoor de cellen in de stationaire fase terechtkomen. Op dit punt is het aantal nieuwe cellen dat wordt aangemaakt gelijk aan het aantal cellen dat afsterft of is de groei volledig gestopt, wat resulteert in een afvlakking van de groei op de groeicurve.

Physiologisch worden de cellen in dit stadium heel anders, omdat zij zich proberen aan te passen aan hun nieuwe verhongeringsomstandigheden. De weinige nieuwe cellen die worden geproduceerd, zijn kleiner van omvang, waarbij de bacillen bijna bolvormig worden. Hun plasmamembraan wordt minder vloeibaar en doorlaatbaar, met meer hydrofobe moleculen aan het oppervlak die celadhesie en -aggregatie bevorderen. De nucleoïde condenseert en het DNA wordt gebonden met DNA-bindende eiwitten uit verhongerde cellen (DPS), om het DNA te beschermen tegen beschadiging. De veranderingen zijn bedoeld om de cel in staat te stellen langer te overleven in ongunstige omstandigheden, in afwachting van optimalere omstandigheden (zoals een infusie van voedingsstoffen). Dezelfde strategieën worden gebruikt door cellen in een oligotrofe of voedselarme omgeving. Er is verondersteld dat cellen in de natuurlijke wereld (d.w.z. buiten het laboratorium) typisch gedurende lange perioden in oligotrofe omgevingen bestaan, met slechts sporadische infusies van voedingsstoffen die hen voor zeer korte perioden van exponentiële groei doen terugkeren.

Tijdens de stationaire fase zijn cellen ook vatbaar voor de productie van secundaire metabolieten, of metabolieten die na actieve groei worden geproduceerd, zoals antibiotica. Cellen die in staat zijn een endospore te maken, activeren in deze fase de nodige genen om het sporulatieproces op gang te brengen.

Dood- of dalingsfase

In de laatste fase van de groeicurve, de dood- of dalingsfase, neemt het aantal levensvatbare cellen op voorspelbare (of exponentiële) wijze af. De steilheid van de helling komt overeen met de snelheid waarmee de cellen hun levensvatbaarheid verliezen. Aangenomen wordt dat de kweekomstandigheden zodanig zijn verslechterd dat de cellen onherstelbare schade hebben opgelopen, aangezien de in deze fase verzamelde cellen geen groei vertonen wanneer zij in vers medium worden overgebracht. Het is belangrijk op te merken dat als de troebelheid van een cultuur wordt gemeten als een manier om de celdichtheid te bepalen, de metingen tijdens deze fase misschien niet afnemen, aangezien de cellen nog intact kunnen zijn.

Er is gesuggereerd dat de cellen waarvan wordt gedacht dat ze dood zijn, onder specifieke omstandigheden weer tot leven kunnen worden gewekt, een toestand die wordt omschreven als levensvatbaar maar niet-cultiveerbaar (VBNC). Deze toestand zou van belang kunnen zijn voor pathogenen, die in een toestand van zeer laag metabolisme en gebrek aan celdeling komen, om later, wanneer de omstandigheden beter zijn, weer te gaan groeien.

Het is ook aangetoond dat 100% celdood onwaarschijnlijk is, voor welke celpopulatie dan ook, omdat de cellen muteren om zich aan te passen aan hun omgevingsomstandigheden, hoe zwaar die ook zijn. Vaak wordt een tailing-effect waargenomen, waarbij een kleine populatie van de cellen niet kan worden gedood. Bovendien kunnen deze cellen profiteren van de dood van hun medecellen, die voedingsstoffen leveren aan de omgeving wanneer zij lyseren en hun cellulaire inhoud afgeven.