Fotoheterotrofas geram ATP usando luz, em uma de duas formas: usam um centro de reação à base de bacterioclorofila, ou usam uma bacteriorhodopsina. O mecanismo baseado na clorofila é semelhante ao utilizado na fotossíntese, onde a luz excita as moléculas num centro de reacção e provoca um fluxo de electrões através de uma cadeia de transporte de electrões (ETS). Este fluxo de elétrons através das proteínas faz com que os íons de hidrogênio sejam bombeados através de uma membrana. A energia armazenada neste gradiente de prótons é utilizada para impulsionar a síntese de ATP. Ao contrário dos fotoautotróficos, os elétrons fluem apenas em uma via cíclica: os elétrons liberados do centro de reação fluem através da ETS e retornam ao centro de reação. Eles não são utilizados para reduzir quaisquer compostos orgânicos. Bactérias roxas sem enxofre, bactérias verdes sem enxofre e heliobactérias são exemplos de bactérias que realizam este esquema de fotoheterotrofia.
Outros organismos, incluindo halobactérias e flavobactérias e vibrios têm bombas de protões à base de roxo-rhodopsina que suplementam o seu fornecimento de energia. A versão arqueal é chamada de bacteriorhodopsin, enquanto a versão eubacteriana é chamada de proteorhodopsin. A bomba consiste de uma única proteína ligada a um derivado da Vitamina A, a retina. A bomba pode ter pigmentos acessórios (por exemplo, carotenóides) associados com a proteína. Quando a luz é absorvida pela molécula da retina, a molécula isomeriza-se. Isto leva a proteína a mudar de forma e a bombear um próton através da membrana. O gradiente de íons de hidrogênio pode então ser usado para gerar ATP, transportar solutos através da membrana, ou acionar um motor flagelar. Um flavobacterium particular não pode reduzir o dióxido de carbono usando luz, mas usa a energia de seu sistema de rodopsina para fixar o dióxido de carbono através da fixação anaplerótica. O flavobacterium ainda é um heterotrofio, pois precisa de compostos de carbono reduzidos para viver e não pode subsistir apenas com luz e CO2. Não pode realizar reacções sob a forma de
n CO2 + 2n H2D + fotões → (CH2O)n + 2n D + n H2O,
onde H2D pode ser água, H2S ou outro composto/composto fornecendo os electrões e prótons redutores; o par 2D + H2O representa uma forma oxidada.
No entanto, pode fixar carbono em reacções como:
CO2 + piruvato + ATP (de fotões) → malato + ADP +Pi
onde o malato ou outras moléculas úteis são de outra forma obtidas por decomposição de outros compostos por
hidratos de carbono + O2 → malato + CO2 + energia.
Este método de fixação de carbono é útil quando compostos de carbono reduzidos são escassos e não podem ser desperdiçados como CO2 durante as interconversões, mas a energia é abundante na forma de luz solar.