Fotoheterotrofen genereren ATP met behulp van licht, op een van de volgende twee manieren: zij gebruiken een reactiecentrum op basis van bacteriochlorofyl, of zij gebruiken een bacteriorhodopsine. Het op chlorofyl gebaseerde mechanisme is vergelijkbaar met dat in de fotosynthese, waarbij licht de moleculen in een reactiecentrum opwekt en een stroom elektronen door een elektronentransportketen (ETS) veroorzaakt. Deze stroom van elektronen door de eiwitten zorgt ervoor dat waterstofionen over een membraan worden gepompt. De in deze protonengradiënt opgeslagen energie wordt gebruikt om de ATP-synthese aan te drijven. Anders dan bij foto-autotrofen verlopen de elektronenstromen alleen cyclisch: de elektronen die vrijkomen uit het reactiecentrum stromen door het ETS en keren terug naar het reactiecentrum. Zij worden niet gebruikt om organische verbindingen te reduceren. Paarse niet-zwavel bacteriën, groene niet-zwavel bacteriën, en heliobacteriën zijn voorbeelden van bacteriën die dit schema van fotoheterotrofie uitvoeren.

Andere organismen, met inbegrip van halobacteriën en flavobacteria en vibrios hebben op paars-rhodopsine gebaseerde protonpompen die hun energievoorziening aanvullen. De archaeaversie wordt bacteriorhodopsine genoemd, terwijl de eubacteriële versie proteorhodopsine wordt genoemd. De pomp bestaat uit een enkel eiwit dat gebonden is aan een vitamine A-derivaat, retinal. Aan de pomp kunnen extra pigmenten (bv. carotenoïden) zijn verbonden. Wanneer licht door het retinale molecuul wordt geabsorbeerd, isomeriseert het molecuul. Hierdoor verandert het eiwit van vorm en pompt een proton over het membraan. De waterstofionengradiënt kan vervolgens worden gebruikt om ATP te genereren, oplosmiddelen over het membraan te transporteren, of een flagellaire motor aan te drijven. Een bepaalde flavobacterie kan geen kooldioxide reduceren met behulp van licht, maar gebruikt de energie van zijn rhodopsinesysteem om kooldioxide vast te leggen via anaplerotische fixatie. De flavobacterie is nog steeds een heterotrofe bacterie, aangezien hij gereduceerde koolstofverbindingen nodig heeft om te leven en niet kan overleven met alleen licht en CO2. Hij kan geen reacties uitvoeren in de vorm van

n CO2 + 2n H2D + fotonen → (CH2O)n + 2n D + n H2O,

waarbij H2D water, H2S of een andere verbinding/verbindingen kan zijn die de reducerende elektronen en protonen levert/leveren; het 2D + H2O-paar vertegenwoordigt een geoxideerde vorm.

Het kan echter koolstof vastleggen in reacties als:

CO2 + pyruvaat + ATP (uit fotonen) → malaat + ADP +Pi

waar malaat of andere nuttige moleculen anders worden verkregen door afbraak van andere verbindingen door

koolhydraat + O2 → malaat + CO2 + energie.

Stroomdiagram om te bepalen of een soort autotroof, heterotroof of een subtype is

Deze methode van koolstoffixatie is nuttig wanneer gereduceerde koolstofverbindingen schaars zijn en bij de omzettingen niet als CO2 kunnen worden verspild, maar energie in de vorm van zonlicht in overvloed aanwezig is.