營養物質能否被微生物利用的一個決定性因素是這些營養物質能否進入微生物細胞。隻有營養物質進入細胞後才能被微生物細胞內的新陳代謝係統分解利用，進而使微生物正常生長繁殖。
影響營養物質進入細胞的因素主要有三個：
其一是營養物質本身的性質。相對分子質量、溶解性、電負性、極性等都影響營養物質進入細 胞的難易程度。
其二是微生物所處的環境。溫度通過影響營養物質的溶解度、細胞膜的流動性及運輸係統的活性來影響微生物的吸收能力；pH和離子強度通過影響營養物質的電離程度來影響其進入細胞的能力。例如，當環境pH比細胞內pH高時，弱堿性的甲胺進入大腸杆菌後以帶正電荷的形式存在，而這種狀態的甲胺不容易分泌而導致細胞內甲胺濃度升高，當環境pH比細胞內pH低時，甲胺以帶正電荷的形式存在於環境中而難以進入細胞，導致細胞內甲胺濃度降低；當環境中存在誘導物質運輸係統形成的物質時，有利於微生物吸收營養物質；而環境中存在的代謝過程抑製劑、解偶聯劑以及能與原生質膜上的蛋白質或脂類物質等成分發生作用的物質(如琉基試劑、重金屬離子等)都可以在不同程度上影響物質的運輸速率。另外，環境中被運輸物質的結構類似物也影響微生物細胞吸收被運輸物質的速率，例如L-刀豆氨酸、L-賴氨酸或D-精氨酸都能降低釀酒酵母吸收L-精氨酸的能力。
其三是微生物細胞的透過屏障(permeability barrier)。所有微生物都具有一種保護機體完整性且能限製物質進出細胞的透過屏障，滲透屏障主要由原生質膜、細胞壁、莢膜及粘液層等組成的結構。莢膜與粘液層的結構較為疏鬆，對細胞吸收營養物質影響較小。革蘭氏陽性細菌由於細胞壁結構較為緊密，對營養物質的吸收有一定的影響，相對分子質量大於10000的葡聚糖難以通過這類細菌的細胞壁。真菌和酵母菌細胞壁隻能允許相對分子質量較小的物質通過。與細胞壁相比，原生質膜在控製物質進入細胞的過程中起著更為重要的作用，它對跨膜運輸(transportaccross membrane)的物質具有選擇性，營養物質的跨膜運輸是本節著重探討的問題。根據物質運輸過程的特點，可將物質的運輸方式分為擴散、促進擴散、主動運輸與膜泡運輸。
一、 擴散
1、 擴散
原生質膜是一種半透膜，營養物質通過原生質膜上的含水小孔，由高濃度的跑外(內)環境向低濃度的胞內(外)進行擴散(diffusion)。擴散是非特異性的，但原生質膜上的含水小孔的大小和形狀對參與擴散的營養物質分子有一定的選擇性。物質在擴散過程中，既不與膜上的各類分子發生反應，自身分子結構也不發生變化。
2、 擴散的特點
擴散是一種最簡單的物質跨膜運輸方式，為純粹的物理學過程，在擴散過程中不消耗能量，物質擴散的動力來自參與擴散的物質在膜內外的濃度差，營養物質不能逆濃度運輸。物質擴散的速率隨原生質膜內外營養物質濃度差的降低而減小，直到膜內外營養物質濃度相同時才達到一個動態平衡。
由於原生質膜主要由磷脂雙分子層和蛋白質組成，而且膜上分布有含水小孔，膜內外表麵為極性表麵，中間為疏水層，因而物質跨膜擴散的能力和速率與該物質的性質有關，相對分子質量小、脂溶性、極性小的物質易通過擴散進出細胞。另外，溫度高時，原生質膜的流動性增加，有利於物質通過擴散進出細胞，而pH與離子強度通過影響物質的電離程度而影響物質的擴散速率。
3、 通過擴散運輸的營養物質
擴散並不是微生物細胞吸收營養物質的主要方式，水是唯一可以通過擴散自由通過原生質膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些氣體分子(O2、CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通過擴散進出細胞。
二、 促進擴散
1、 促進擴散
與擴散一樣，促進擴散(facilited diffusion)也是一種被動的物質跨膜運輸方式，在這個過程中不消耗能量，參與運輸的物質本身的分子結構不發生變化，不能進行逆濃度運輸，運輸速率與膜內外物質的濃度差成正比。
2、 促進擴散的特點
促進擴散與擴散的主要區別在於通過促進擴散進行跨膜運輸的物質需要借助於載體(carrier)的作用力才能進入細胞(圖3.1)，而且每種載體隻運輸相應的物質，具有較高的專一性。被運輸物質與相應載體之間存在一種親和力，而且這種親和力在原生質膜內外的大小不同，當物質與相應載體在胞外親和力大而在胞內親和力小時，通過被運輸物質與相應載體之間親和力的大小變化，使該物質與載體發生可逆性的結合與分離，導致物質穿過原生質膜進入細胞。被運輸物質與載體之間親和力大小變化是通過載體分子的構象變化而實現的。參與促進擴散的載體主要是一些蛋白質，這些蛋白質能促進物質進行跨膜運輸，自身在這個過程中不發生化學變化，而且在促進擴散中載體隻影響物質的運輸速率，並不改變該物質在膜內外形成的動態平衡狀態，被運輸物質在膜內外濃度差越大，促進擴散的速率越快，但是當被運輸物質濃度過高而使載體蛋白飽和時，運輸速率就個再增加，這些性質都類似於酶的作用特征，因此載體蛋白也稱為透過酶(pemlgLR)。透過酶大多是誘導酶，隻有在環境中存在機體生長所需的營養物質時，相應的透過酶才合成。
3、 通過促進擴運輸的營養物質
通過促進擴散進入細胞的營養物質主要有氨基酸、單糖、維生素及無機鹽等。一般微生物通過專一的載體蛋白運輸相應的物質，但也有微生物對同一物質的運輸由一種以上的載體蛋白來完成，例如鼠傷寒沙門氏菌Salmonella typhimurium)利用四種不同載體蛋白運輸組氨酸，釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)有三種不同的載體蛋白來完成葡萄糖的運輸。另外，某些載體蛋白可同時完成幾種物質的運輸，例如大腸杆菌可通過一種載體蛋白完成亮氨酸、異亮氨酸和額氨酸的運輸，但這種載體蛋白對這三種氨基酸的運輸能力有差別。
除以蛋白質載體介導的促進擴散外，一些抗菌素可以通過提高膜的離子通透性而促進離子進行跨膜運輸。短杆菌肽A是由15個L型和D型氨基酸交替連接而成的短肽，兩個短杆菌肽A分子可在膜上形成含水通道，離子可以穿過此通道進行跨膜運輸；額氨黴素是一種環狀分子，K+可結合在環狀分子中心，而環狀分子外周的碳氫鏈使得該複合物能穿過膜的疏水性中心，從而促進K+的跨膜運輸，在這個過程中，瀕氨黴素實際上起到載體的作用。
三、 主動運輸
主動運輸(active transprt)是廣泛存在於微生物中的一種主要的物質運輸方式。與擴散及促進擴散這兩種被動運輸(passive transport)方式相比，主動運輸的一個重要特點是在物質運輸過程中需要消耗能量，而且可以進行逆濃度運輸。在主動運輸過程中，運輸物質所需能量來源因微生物不同而不同，好氧型微生物與兼性厭氧微生物直接利用呼吸能，厭氧型微生物利用化學能(ATP)，光合微生物利用光能，嗜鹽細菌通過紫膜(purple membrane)利用光能。主動運輸與促進擴散類似之處在於物質運輸過程中同樣需要載體蛋白，載體蛋白通過構象變化而改變與被運輸物質之問的親和力大小，使兩者之間發生可逆性結合與分離，從而完成相應物質的跨膜運輸，區別在於主動運輸過程中的載體蛋白構象變化需要消耗能量。主動運輸的具體方式有多種，主要有初級主動運輸、次級主動運輸、基團轉位、Na+，K+-ATP酶(Na+，K+-ATPase)係統及ATP偶聯主動運輸等。
1、 初級主動運輸(primary active transport)
初級主動運輸指由電子傳遞係統、ATP酶或細菌嗜紫紅質引起的質子運輸方式，從物質運輸的角度考慮是一種質子的主動運輸方式。呼吸能、化學能和光能的消耗，引起胞內質子(或其他離子)外排，導致原生質膜內外建立質子濃度差(或電勢差)，使膜處於充能狀態，即形成能化膜(energized membrane)。不同微生物的初級主動運輸方式不同，好氧型微生物和兼性厭氧微生物在有氧條件下生長時，物質在胞內氧化釋放的電子在位於原生質膜上的電子傳遞鏈上傳遞的過程中伴隨質子外排；厭氧型微生物利用發酵過程中產生的ATP，在位於原生質膜上的ATP酶的作用下，ATP水解生成ADP和磷酸，同時伴隨質子向胞外分泌；光合微生物吸收光能後，光能激發產生的電子在電子傳遞過程中也伴隨質子外排；嗜鹽細菌紫膜上的細菌嗜紫紅質吸收光能後，引起蛋白質分子中某些化學基團pK值發生變化，導致質子迅速轉移，在膜內外建立質子濃度差。
2、 次級主動運輸(secondary active transport)
通過初級主動運輸建立的能化膜在質子濃度差(或電勢差)消失的過程中，往往偶聯其他物質的運輸，包括以下三種方式：同向運輸(symport)是指某種物質與質子通過同一載體按同一方向運輸。除質子外，其他帶電荷離子(如鈉離子)建立起來的電勢差也可引起同向運輸。在大腸杆菌中，通過這種方式運輸的物質主要有丙氨酸、絲氨酸、甘氨酸、穀氨酸、半乳糖、岩藻糖、蜜二糖、阿拉伯糖、乳酸、葡萄糖醛酸及某些陰離子(如HPO42-、HSO4-)等；逆向運輸(antiport)是指某種物質(如Na+)與質子通過同一載體按相反方向進行運輸；單向運輸(uniport)是指質子濃度差在消失過程中，可促使某些物質通過載體進出細胞，運輸結果通常導致胞內陽離子(如K+)積累或陰離子濃度降低。
3、 基團轉位(group translocatlon)
基團轉位與其他主動運輸方式的不同之處在於它有一個複雜的運輸係統來完成物質的運輸，而物質在起輸過程中發生化學變化。基團轉位主要存在於厭氧型和兼性厭氧型細菌中，主要用於糖的運輸，脂肪酸、核苷、堿基等也可通過這種方式運輸。目前尚未在好氧型細菌及真核生物中發現這種運輸方式，也未發現氨基酸通過這種方式進行運輸。
在研究大腸杆菌對葡萄糖和金黃色葡萄球菌對乳糖的吸收過程中，發現這些糖進入細胞後以磷酸糖的形式存在於細胞質中，表明這些糖在運輸過程中發生了磷酸化作用，其中的磷酸基團來源於胞內的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，因此也將基團轉位稱為磷酸烯醇式丙酮酸—磷酸糖轉移酶運輸係統(PTS)，簡稱磷酸轉移酶係統。PTS通常由五種蛋白質組成，包括酶Ⅰ、酶Ⅱ(包括a、b和c三個亞基)和一種低相對分子質量的熱穩定蛋白質(HPr)。酶I和HPr是非特異性的細胞質蛋白，酶Ⅱ a也是可溶性細胞質蛋白，親水性酶Ⅱ b與位於細胞膜上的酶Ⅱ c相結合。在糖的運輸過程中，PEP上的磷酸基團逐步通過酶Ⅰ、HPr的磷酸化與去磷酸化作用，最終在酶H的作用下轉移到糖，生成磷酸糖釋放於細胞質中。
4、 Na+，K+-ATP酶(Na+，K+-ATPase)係統
丹麥學者斯克(J.C.Skou)在1957年發現了存在於原生質膜上的一種重要的離子通道蛋白——Na+，K+-ATP酶(Na+，K+-ATPase)，時隔40年後，他與其他兩位學者分享了1997年諾貝爾化學獎。Na+，K+-ATP酶的功能是利用ATP的能量將Na+由細胞內“泵”出胞外，並將K+ “泵”人胞內。該酶由大小兩個亞基組成，大亞基可被磷酸化，。
E為非磷酸化酶，與Na+的結合位點朝向膜內，與Na+有較高的親和力，而與K+的親和力低。當E與Na+結合後，在Mg2+存在的情況下，ATP水解使E磷酸化，促使E構象發生變化而轉變成E’，並導致與Na+的結合位點朝向膜外，E’與Na+的親和力降低，而與K+的親和力高，此時胞外的K+將Na+置換下來，E’與K+結合後，K+的結合位點朝向膜內，E’去磷酸化，該酶構象再次發生變化，轉變成E，Na+將K+置換下來。Na+，K+-ATP酶作用的結果是使細胞內Na+濃度低而K+濃度高，這種狀況並不因環境中Na+、K+濃度高低而改變，例如大腸杆菌K12在培養基中K+濃度非常低(0.1mmo1/L)時，仍然可以從環境中吸收K+，導致胞內K+濃度達到100mmol/L。細胞內維持高濃度K+是保證許多酶的活性和蛋白質的合成所必需的。由於Na+，K+-ATP酶將Na+由細胞內“泵”出胞外，並將K+ “泵”入胞內，因此常將該酶稱為Na+，K+泵。
5、 其他的主動運輸方式
除上述四種主要的主動運輸方式外，在微生物中還存在一些其他的主動運輸方式。其中有一種是ATP水解不建立膜內外質子濃度差，而是直接偶聯物質的運輸，L-穀氨酰胺、L-鳥氨酰胺、L-鳥氨酸和D-核糖可以通過這種方式運輸；在大腸杆菌中，能量的消耗可以導致檸檬酸透過酶的構象變化而使之活化，促進檸檬酸進入細胞；在金黃色葡萄球菌中，在脫氫酶作用下，乳酸氧化偶聯著載體蛋白分子構象變化，促使物質進入細胞。
四、 膜泡運輸
膜泡運輸(membrane vesicle transport)主要存在於原生動物特別是變形蟲(amoeba)中，是這類微生物的一種營養物質的運輸方式。變形蟲通過趨向性運動靠近營養物質，並將該物質吸附到膜表麵，然後在該物質附近的細胞膜開始內陷，逐步將營養物質包圍，最後形成一個含有該營養物質的膜泡，之後膜泡離開細胞膜而遊離於細胞質中，營養物質通過這種運輸方式由胞外進入胞內。如果膜泡中包含的是固體營養物質，則將這種營養物質運輸方式稱為胞吞作用(phaaocytosis)；如果膜泡中包含的是液體，則稱之為胞飲作用(pinocytosis)。 通過胞吞作用(或胞飲作用)進行的營養物質膜泡運輸一般分為五個時期，即吸附期、膜伸展期、膜泡迅速形成期、附著膜泡形成期和膜泡釋放期。
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