营养物质能否被微生物利用的一个决定性因素是这些营养物质能否进入微生物细胞。只有营养物质进入细胞后才能被微生物细胞内的新陈代谢系统分解利用，进而使微生物正常生长繁殖。
影响营养物质进入细胞的因素主要有三个：
其一是营养物质本身的性质。相对分子质量、溶解性、电负性、极性等都影响营养物质进入细 胞的难易程度。
其二是微生物所处的环境。温度通过影响营养物质的溶解度、细胞膜的流动性及运输系统的活性来影响微生物的吸收能力；pH和离子强度通过影响营养物质的电离程度来影响其进入细胞的能力。例如，当环境pH比细胞内pH高时，弱碱性的甲胺进入大肠杆菌后以带正电荷的形式存在，而这种状态的甲胺不容易分泌而导致细胞内甲胺浓度升高，当环境pH比细胞内pH低时，甲胺以带正电荷的形式存在于环境中而难以进入细胞，导致细胞内甲胺浓度降低；当环境中存在诱导物质运输系统形成的物质时，有利于微生物吸收营养物质；而环境中存在的代谢过程抑制剂、解偶联剂以及能与原生质膜上的蛋白质或脂类物质等成分发生作用的物质(如琉基试剂、重金属离子等)都可以在不同程度上影响物质的运输速率。另外，环境中被运输物质的结构类似物也影响微生物细胞吸收被运输物质的速率，例如L-刀豆氨酸、L-赖氨酸或D-精氨酸都能降低酿酒酵母吸收L-精氨酸的能力。
其三是微生物细胞的透过屏障(permeability barrier)。所有微生物都具有一种保护机体完整性且能限制物质进出细胞的透过屏障，渗透屏障主要由原生质膜、细胞壁、荚膜及粘液层等组成的结构。荚膜与粘液层的结构较为疏松，对细胞吸收营养物质影响较小。革兰氏阳性细菌由于细胞壁结构较为紧密，对营养物质的吸收有一定的影响，相对分子质量大于10000的葡聚糖难以通过这类细菌的细胞壁。真菌和酵母菌细胞壁只能允许相对分子质量较小的物质通过。与细胞壁相比，原生质膜在控制物质进入细胞的过程中起着更为重要的作用，它对跨膜运输(transportaccross membrane)的物质具有选择性，营养物质的跨膜运输是本节着重探讨的问题。根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为扩散、促进扩散、主动运输与膜泡运输。
一、 扩散
1、 扩散
原生质膜是一种半透膜，营养物质通过原生质膜上的含水小孔，由高浓度的跑外(内)环境向低浓度的胞内(外)进行扩散(diffusion)。扩散是非特异性的，但原生质膜上的含水小孔的大小和形状对参与扩散的营养物质分子有一定的选择性。物质在扩散过程中，既不与膜上的各类分子发生反应，自身分子结构也不发生变化。
2、 扩散的特点
扩散是一种最简单的物质跨膜运输方式，为纯粹的物理学过程，在扩散过程中不消耗能量，物质扩散的动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差，营养物质不能逆浓度运输。物质扩散的速率随原生质膜内外营养物质浓度差的降低而减小，直到膜内外营养物质浓度相同时才达到一个动态平衡。
由于原生质膜主要由磷脂双分子层和蛋白质组成，而且膜上分布有含水小孔，膜内外表面为极性表面，中间为疏水层，因而物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关，相对分子质量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。另外，温度高时，原生质膜的流动性增加，有利于物质通过扩散进出细胞，而pH与离子强度通过影响物质的电离程度而影响物质的扩散速率。
3、 通过扩散运输的营养物质
扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式，水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O2、CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。
二、 促进扩散
1、 促进扩散
与扩散一样，促进扩散(facilited diffusion)也是一种被动的物质跨膜运输方式，在这个过程中不消耗能量，参与运输的物质本身的分子结构不发生变化，不能进行逆浓度运输，运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。
2、 促进扩散的特点
促进扩散与扩散的主要区别在于通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助于载体(carrier)的作用力才能进入细胞(图3.1)，而且每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。被运输物质与相应载体之间存在一种亲和力，而且这种亲和力在原生质膜内外的大小不同，当物质与相应载体在胞外亲和力大而在胞内亲和力小时，通过被运输物质与相应载体之间亲和力的大小变化，使该物质与载体发生可逆性的结合与分离，导致物质穿过原生质膜进入细胞。被运输物质与载体之间亲和力大小变化是通过载体分子的构象变化而实现的。参与促进扩散的载体主要是一些蛋白质，这些蛋白质能促进物质进行跨膜运输，自身在这个过程中不发生化学变化，而且在促进扩散中载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态，被运输物质在膜内外浓度差越大，促进扩散的速率越快，但是当被运输物质浓度过高而使载体蛋白饱和时，运输速率就个再增加，这些性质都类似于酶的作用特征，因此载体蛋白也称为透过酶(pemlgLR)。透过酶大多是诱导酶，只有在环境中存在机体生长所需的营养物质时，相应的透过酶才合成。
3、 通过促进扩运输的营养物质
通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成，例如鼠伤寒沙门氏菌Salmonella typhimurium)利用四种不同载体蛋白运输组氨酸，酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)有三种不同的载体蛋白来完成葡萄糖的运输。另外，某些载体蛋白可同时完成几种物质的运输，例如大肠杆菌可通过一种载体蛋白完成亮氨酸、异亮氨酸和额氨酸的运输，但这种载体蛋白对这三种氨基酸的运输能力有差别。
除以蛋白质载体介导的促进扩散外，一些抗菌素可以通过提高膜的离子通透性而促进离子进行跨膜运输。短杆菌肽A是由15个L型和D型氨基酸交替连接而成的短肽，两个短杆菌肽A分子可在膜上形成含水通道，离子可以穿过此通道进行跨膜运输；额氨霉素是一种环状分子，K+可结合在环状分子中心，而环状分子外周的碳氢链使得该复合物能穿过膜的疏水性中心，从而促进K+的跨膜运输，在这个过程中，濒氨霉素实际上起到载体的作用。
三、 主动运输
主动运输(active transprt)是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。与扩散及促进扩散这两种被动运输(passive transport)方式相比，主动运输的一个重要特点是在物质运输过程中需要消耗能量，而且可以进行逆浓度运输。在主动运输过程中，运输物质所需能量来源因微生物不同而不同，好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能，厌氧型微生物利用化学能(ATP)，光合微生物利用光能，嗜盐细菌通过紫膜(purple membrane)利用光能。主动运输与促进扩散类似之处在于物质运输过程中同样需要载体蛋白，载体蛋白通过构象变化而改变与被运输物质之问的亲和力大小，使两者之间发生可逆性结合与分离，从而完成相应物质的跨膜运输，区别在于主动运输过程中的载体蛋白构象变化需要消耗能量。主动运输的具体方式有多种，主要有初级主动运输、次级主动运输、基团转位、Na+，K+-ATP酶(Na+，K+-ATPase)系统及ATP偶联主动运输等。
1、 初级主动运输(primary active transport)
初级主动运输指由电子传递系统、ATP酶或细菌嗜紫红质引起的质子运输方式，从物质运输的角度考虑是一种质子的主动运输方式。呼吸能、化学能和光能的消耗，引起胞内质子(或其他离子)外排，导致原生质膜内外建立质子浓度差(或电势差)，使膜处于充能状态，即形成能化膜(energized membrane)。不同微生物的初级主动运输方式不同，好氧型微生物和兼性厌氧微生物在有氧条件下生长时，物质在胞内氧化释放的电子在位于原生质膜上的电子传递链上传递的过程中伴随质子外排；厌氧型微生物利用发酵过程中产生的ATP，在位于原生质膜上的ATP酶的作用下，ATP水解生成ADP和磷酸，同时伴随质子向胞外分泌；光合微生物吸收光能后，光能激发产生的电子在电子传递过程中也伴随质子外排；嗜盐细菌紫膜上的细菌嗜紫红质吸收光能后，引起蛋白质分子中某些化学基团pK值发生变化，导致质子迅速转移，在膜内外建立质子浓度差。
2、 次级主动运输(secondary active transport)
通过初级主动运输建立的能化膜在质子浓度差(或电势差)消失的过程中，往往偶联其他物质的运输，包括以下三种方式：同向运输(symport)是指某种物质与质子通过同一载体按同一方向运输。除质子外，其他带电荷离子(如钠离子)建立起来的电势差也可引起同向运输。在大肠杆菌中，通过这种方式运输的物质主要有丙氨酸、丝氨酸、甘氨酸、谷氨酸、半乳糖、岩藻糖、蜜二糖、阿拉伯糖、乳酸、葡萄糖醛酸及某些阴离子(如HPO42-、HSO4-)等；逆向运输(antiport)是指某种物质(如Na+)与质子通过同一载体按相反方向进行运输；单向运输(uniport)是指质子浓度差在消失过程中，可促使某些物质通过载体进出细胞，运输结果通常导致胞内阳离子(如K+)积累或阴离子浓度降低。
3、 基团转位(group translocatlon)
基团转位与其他主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在起输过程中发生化学变化。基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输。目前尚未在好氧型细菌及真核生物中发现这种运输方式，也未发现氨基酸通过这种方式进行运输。
在研究大肠杆菌对葡萄糖和金黄色葡萄球菌对乳糖的吸收过程中，发现这些糖进入细胞后以磷酸糖的形式存在于细胞质中，表明这些糖在运输过程中发生了磷酸化作用，其中的磷酸基团来源于胞内的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，因此也将基团转位称为磷酸烯醇式丙酮酸—磷酸糖转移酶运输系统(PTS)，简称磷酸转移酶系统。PTS通常由五种蛋白质组成，包括酶Ⅰ、酶Ⅱ(包括a、b和c三个亚基)和一种低相对分子质量的热稳定蛋白质(HPr)。酶I和HPr是非特异性的细胞质蛋白，酶Ⅱ a也是可溶性细胞质蛋白，亲水性酶Ⅱ b与位于细胞膜上的酶Ⅱ c相结合。在糖的运输过程中，PEP上的磷酸基团逐步通过酶Ⅰ、HPr的磷酸化与去磷酸化作用，最终在酶H的作用下转移到糖，生成磷酸糖释放于细胞质中。
4、 Na+，K+-ATP酶(Na+，K+-ATPase)系统
丹麦学者斯克(J.C.Skou)在1957年发现了存在于原生质膜上的一种重要的离子通道蛋白——Na+，K+-ATP酶(Na+，K+-ATPase)，时隔40年后，他与其他两位学者分享了1997年诺贝尔化学奖。Na+，K+-ATP酶的功能是利用ATP的能量将Na+由细胞内“泵”出胞外，并将K+ “泵”人胞内。该酶由大小两个亚基组成，大亚基可被磷酸化，。
E为非磷酸化酶，与Na+的结合位点朝向膜内，与Na+有较高的亲和力，而与K+的亲和力低。当E与Na+结合后，在Mg2+存在的情况下，ATP水解使E磷酸化，促使E构象发生变化而转变成E’，并导致与Na+的结合位点朝向膜外，E’与Na+的亲和力降低，而与K+的亲和力高，此时胞外的K+将Na+置换下来，E’与K+结合后，K+的结合位点朝向膜内，E’去磷酸化，该酶构象再次发生变化，转变成E，Na+将K+置换下来。Na+，K+-ATP酶作用的结果是使细胞内Na+浓度低而K+浓度高，这种状况并不因环境中Na+、K+浓度高低而改变，例如大肠杆菌K12在培养基中K+浓度非常低(0.1mmo1/L)时，仍然可以从环境中吸收K+，导致胞内K+浓度达到100mmol/L。细胞内维持高浓度K+是保证许多酶的活性和蛋白质的合成所必需的。由于Na+，K+-ATP酶将Na+由细胞内“泵”出胞外，并将K+ “泵”入胞内，因此常将该酶称为Na+，K+泵。
5、 其他的主动运输方式
除上述四种主要的主动运输方式外，在微生物中还存在一些其他的主动运输方式。其中有一种是ATP水解不建立膜内外质子浓度差，而是直接偶联物质的运输，L-谷氨酰胺、L-鸟氨酰胺、L-鸟氨酸和D-核糖可以通过这种方式运输；在大肠杆菌中，能量的消耗可以导致柠檬酸透过酶的构象变化而使之活化，促进柠檬酸进入细胞；在金黄色葡萄球菌中，在脱氢酶作用下，乳酸氧化偶联着载体蛋白分子构象变化，促使物质进入细胞。
四、 膜泡运输
膜泡运输(membrane vesicle transport)主要存在于原生动物特别是变形虫(amoeba)中，是这类微生物的一种营养物质的运输方式。变形虫通过趋向性运动靠近营养物质，并将该物质吸附到膜表面，然后在该物质附近的细胞膜开始内陷，逐步将营养物质包围，最后形成一个含有该营养物质的膜泡，之后膜泡离开细胞膜而游离于细胞质中，营养物质通过这种运输方式由胞外进入胞内。如果膜泡中包含的是固体营养物质，则将这种营养物质运输方式称为胞吞作用(phaaocytosis)；如果膜泡中包含的是液体，则称之为胞饮作用(pinocytosis)。 通过胞吞作用(或胞饮作用)进行的营养物质膜泡运输一般分为五个时期，即吸附期、膜伸展期、膜泡迅速形成期、附着膜泡形成期和膜泡释放期。
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