Med rätt förutsättningar (mat, rätt temperatur osv.) kan mikrober växa mycket snabbt. Beroende på situationen kan detta vara bra för människor (jäst som växer i vört för att göra öl) eller dåligt (bakterier som växer i halsen och orsakar halsfluss). Det är viktigt att ha kunskap om deras tillväxt, så att vi kan förutsäga eller kontrollera deras tillväxt under särskilda förhållanden.

Men medan tillväxt för muticelluära organismer vanligen mäts i termer av ökningen av storleken på en enskild organism, mäts mikrobiell tillväxt genom ökningen av populationen, antingen genom att mäta ökningen av antalet celler eller ökningen av den totala massan.

Bakteriell delning

Bakterier och arkéer reproducerar sig endast asexuellt, medan eukartyotiska mikrober kan ägna sig åt antingen sexuell eller asexuell reproduktion. Bakterier och arkéer deltar oftast i en process som kallas binär fission, där en enskild cell delas i två lika stora celler. Andra, mindre vanliga processer kan inkludera multipel klyvning, knoppbildning och produktion av sporer.

Processen börjar med cellförlängning, vilket kräver noggrann utvidgning av cellmembranet och cellväggen, förutom en ökning av cellvolymen. Cellen börjar replikera sitt DNA, som en förberedelse för att ha två kopior av sin kromosom, en för varje nybildad cell. Proteinet FtsZ är viktigt för bildandet av en skiljevägg, som till en början visar sig som en ring i mitten av den förlängda cellen. Efter att nukleoiderna segregerats till vardera änden av den långsträckta cellen fullbordas septumbildningen och den långsträckta cellen delas i två lika stora dotterceller. Hela processen eller cellcykeln kan ta så lite som 20 minuter för en aktiv kultur av E. coli-bakterier.

Växtkurva

Då bakterier är lätta att odla i laboratoriet har deras tillväxt studerats flitigt. Det har fastställts att i ett slutet system eller en batchkultur (ingen tillförd mat, inget avfall avlägsnas) kommer bakterier att växa i ett förutsägbart mönster, vilket resulterar i en tillväxtkurva som består av fyra distinkta tillväxtfaser: fördröjningsfasen, den exponentiella fasen eller logfasen, den stationära fasen och dödsfasen eller nedgångsfasen. Dessutom kan denna tillväxtkurva ge generationstiden för en viss organism – den tid det tar för populationen att fördubblas.

De detaljer som är förknippade med varje tillväxtkurva (antal celler, längden på varje fas, snabbhet i tillväxten eller döden, total tidsåtgång) kommer att variera från organism till organism eller till och med med med olika förhållanden för samma organism. Men mönstret med fyra distinkta tillväxtfaser kommer vanligtvis att kvarstå.

Lagfas

Lagfasen är en anpassningsperiod, där bakterierna anpassar sig till sina nya förhållanden. Längden på fördröjningsfasen kan variera avsevärt, beroende på hur annorlunda förhållandena är jämfört med de förhållanden som bakterierna kom ifrån, samt på bakteriecellernas tillstånd i sig själva. Aktivt växande celler som överförs från en typ av medium till samma typ av medium, med samma miljöförhållanden, kommer att ha den kortaste fördröjningstiden. Skadade celler kommer att ha en lång fördröjningsperiod, eftersom de måste reparera sig själva innan de kan delta i reproduktionen.

Typiskt sett syntetiserar celler i fördröjningsperioden RNA, enzymer och viktiga metaboliter som kan saknas i den nya miljön (t.ex. tillväxtfaktorer eller makromolekyler) samt anpassar sig till miljöförändringar, t.ex. förändringar i temperatur, pH eller syretillgång. De kan också genomföra nödvändiga reparationer av skadade celler.

Exponentiell eller logfas

När cellerna har ackumulerat allt de behöver för att växa går de över till celldelning. Den exponentiella eller logfasen kännetecknas av förutsägbara fördubblingar av populationen, där 1 cell blir 2 celler, blir 4, blir 8 osv. Förhållanden som är optimala för cellerna kommer att resultera i mycket snabb tillväxt (och en brantare lutning på tillväxtkurvan), medan mindre optimala förhållanden kommer att resultera i långsammare tillväxt. Celler i den exponentiella tillväxtfasen är de friskaste och mest enhetliga, vilket förklarar varför de flesta experiment använder celler från denna fas.

På grund av förutsägbarheten i tillväxten i denna fas kan denna fas användas för att matematiskt beräkna den tid det tar för bakteriepopulationen att fördubbla sitt antal, så kallad generationstid (g). Denna information används av mikrobiologer inom grundforskning samt inom industrin. För att bestämma generationstiden kan den naturliga logaritmen av cellantalet plottas mot tiden (där enheterna kan variera beroende på tillväxthastigheten för den aktuella populationen), med hjälp av en semilogaritmisk graf för att generera en linje med en förutsägbar lutning.
Linjens lutning är lika med 0,301/g. Alternativt kan man förlita sig på det fasta förhållandet mellan det ursprungliga antalet celler i början av den exponentiella fasen och antalet celler efter en viss tidsperiod, vilket kan uttryckas genom:

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

där N är den slutliga cellkoncentrationen, N0 är den ursprungliga cellkoncentrationen och n är antalet generationer som inträffat mellan den angivna tidsperioden. Generationstiden (g) kan representeras av t/n, där t är den angivna tidsperioden i minuter, timmar, dagar eller månader. Om man alltså känner till cellkoncentrationen i början av den exponentiella tillväxtfasen och cellkoncentrationen efter en viss tidsperiod av exponentiell tillväxt, kan antalet generationer beräknas. Med hjälp av den tid som tillväxten tillåtits fortgå (t) kan man sedan beräkna g.

Stationär fas

Alla goda ting måste få ett slut (annars skulle bakterier motsvara jordens massa på 7 dagar!). Vid någon tidpunkt får bakteriepopulationen slut på ett viktigt näringsämne/kemikalie eller så hämmas tillväxten av dess egna avfallsprodukter (det är en sluten behållare, minns du?) eller brist på fysiskt utrymme, vilket gör att cellerna går in i den stationära fasen. Vid denna tidpunkt är antalet nya celler som produceras lika stort som antalet celler som dör eller så har tillväxten helt upphört, vilket resulterar i en utplaning av tillväxten på tillväxtkurvan.

Fysiologiskt sett blir cellerna helt annorlunda i detta skede, eftersom de försöker anpassa sig till sina nya svältförhållanden. De få nya celler som produceras är mindre i storlek och bacillerna blir nästan sfäriska till formen. Deras plasmamembran blir mindre flytande och genomsläppligt, med fler hydrofoba molekyler på ytan som främjar celladhesion och aggregering. Nukleoiden kondenseras och DNA binds med DNA-bindande proteiner från utsvultna celler (DPS) för att skydda DNA från skador. Förändringarna är utformade för att göra det möjligt för cellen att överleva under en längre tid under ogynnsamma förhållanden, i väntan på att mer optimala förhållanden (t.ex. en infusion av näringsämnen) ska uppstå. Samma strategier används av celler i oligotrofa eller näringsfattiga miljöer. Det har antagits att celler i naturen (dvs. utanför laboratoriet) vanligtvis existerar under långa perioder i oligotrofa miljöer, med endast sporadiska infusioner av näringsämnen som återför dem till exponentiell tillväxt under mycket korta perioder.

Under den stationära fasen är cellerna också benägna att producera sekundära metaboliter, eller metaboliter som produceras efter aktiv tillväxt, t.ex. antibiotika. Celler som har förmåga att göra en endospore aktiverar de nödvändiga generna under denna fas för att inleda sporuleringsprocessen.

Döds- eller nedgångsfasen

I tillväxtkurvans sista fas, döds- eller nedgångsfasen, minskar antalet livskraftiga celler på ett förutsägbart (eller exponentiellt) sätt. Lutningens branthet motsvarar hur snabbt cellerna förlorar livskraft. Man tror att odlingsförhållandena har försämrats till en punkt där cellerna är oåterkalleligt skadade, eftersom celler som samlats in i denna fas inte visar tillväxt när de överförs till nytt medium. Det är viktigt att notera att om turbiditeten i en kultur mäts som ett sätt att bestämma celltätheten, kanske mätningarna inte minskar under denna fas, eftersom cellerna fortfarande kan vara intakta.

Det har föreslagits att de celler som tros vara döda kan återupplivas under särskilda förhållanden, ett tillstånd som beskrivs som livskraftiga men icke odlingsbara (VBNC). Detta tillstånd kan vara av betydelse för patogener, där de går in i ett tillstånd med mycket låg ämnesomsättning och avsaknad av celldelning, för att sedan återuppta tillväxten vid en senare tidpunkt, när förhållandena förbättras.

Det har också visats att en hundraprocentig celldöd är osannolik, för vilken cellpopulation som helst, eftersom cellerna muterar för att anpassa sig till miljöförhållandena, hur hårda de än är. Ofta observeras en svanseffekt, där en liten population av cellerna inte kan dödas. Dessutom kan dessa celler gynnas av att de dödar sina medceller, som förser miljön med näring när de lyserar och släpper ut sitt cellinnehåll.