Fotoheterotrofa genererar ATP med hjälp av ljus, på ett av två sätt: de använder ett bakterioklorofyllbaserat reaktionscentrum, eller de använder en bakteriorhodopsin. Den klorofyllbaserade mekanismen liknar den som används vid fotosyntes, där ljuset exciterar molekylerna i ett reaktionscentrum och orsakar ett flöde av elektroner genom en elektrontransportkedja (ETS). Detta flöde av elektroner genom proteinerna gör att vätejoner pumpas över ett membran. Den energi som lagras i denna protongradient används för att driva ATP-syntesen. Till skillnad från i fotoautotrofa organismer flödar elektronerna endast i en cyklisk väg: elektroner som frigörs från reaktionscentrumet flödar genom ETS och återvänder till reaktionscentrumet. De används inte för att reducera några organiska föreningar. Lila icke-svavelbakterier, gröna icke-svavelbakterier och heliobakterier är exempel på bakterier som utför detta schema för fotoheterotrofi.

Andra organismer, inklusive halobakterier och flavobakterier och vibrios har lila-rhodopsinbaserade protonpumpar som kompletterar deras energiförsörjning. Den arkealiska versionen kallas bacteriorhodopsin, medan den eubakteriella versionen kallas proteorhodopsin. Pumpen består av ett enda protein som är bundet till ett A-vitaminderivat, retinal. Pumpen kan ha tillbehörspigment (t.ex. karotenoider) som är associerade med proteinet. När ljus absorberas av retinalmolekylen isomeriseras molekylen. Detta gör att proteinet ändrar form och pumpar en proton genom membranet. Vätejongradienten kan sedan användas för att generera ATP, transportera lösningsmedel genom membranet eller driva en flagellarmotor. En särskild flavobakterie kan inte reducera koldioxid med hjälp av ljus, utan använder energin från sitt rhodopsinsystem för att binda koldioxid genom anaplerotisk fixering. Flavobakterien är fortfarande en heterotrof eftersom den behöver reducerade kolföreningar för att leva och inte kan livnära sig på enbart ljus och koldioxid. Den kan inte utföra reaktioner i form av

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

där H2D kan vara vatten, H2S eller en annan/andra förening(ar) som tillhandahåller de reducerande elektronerna och protonerna; paret 2D + H2O representerar en oxiderad form.

Det kan dock fixera kol i reaktioner som:

CO2 + pyruvat + ATP (från fotoner) → malat + ADP +Pi

där malat eller andra användbara molekyler annars erhålls genom nedbrytning av andra föreningar genom

kolhydrat + O2 → malat + CO2 + energi.

Flödesschema för att avgöra om en art är autotrof, heterotrof eller en subtyp

Denna metod för kolfixering är användbar när reducerade kolföreningar är sällsynta och inte kan slösas bort som CO2 under interkonversioner, men energi finns i överflöd i form av solljus.