Мысль о необходимости глубокого взаимопроникновения наук Николай Дмитриевич распространил и на другую область — биологию. Изучая работы Луи Пастера, Зелинский заинтересовался методом разделения оптически деятельных соединений путем избирательного поглощения микроорганизмами одного из оптических антиподов. В своей докторской диссертации он сделал глубоко идущие выводы о взаимосвязи явлений природы, доказывая, что соотношение между жизнедеятельностью микроорганизмов и химическими изменениями некоторых соединений указывает путь к познанию новых, неведомых еще законов, связывающих живую клетку с вечно движущейся молекулой вещества.

Развивая мысли о взаимосвязи состава, строения, формы, взаимного расположения в пространстве атомов и оптической их деятельности, он указывал, что изучение этой взаимосвязи послужит к развитию новой области — химической механики. В этих его мыслях проявилась уже способность Зелинского к великому провидению будущего, он показал в них пути дальнейшего развития химии, свидетелями которого мы теперь являемся.

Мысли Николая Дмитриевича о необходимости преодоления статических представлений теории строения, динамического ее развития показывали полную зрелость его как ученого и определяли сущность его научного мировоззрения.

В своей дальнейшей научной работе, в особенности в изучении контактно-каталитических явлений, Н. Д. Зелинский сумел развить именно динамическую сторону бутлеровской теории строения.

В 1891 году Николай Дмитриевич блестяще защитил свою докторскую диссертацию.

После ухода из университета Ильи Ильича Мечникова и даже после его отъезда в Париж «партия» Мечникова продолжала существовать. Во всяком случае, в кругах одесской реакционной интеллигенции не переставали так называть ученых прогрессивного направления. Если верить их мнению — а в этом им следует верить, — эта «партия» даже численно разрослась, вышла из стен университета, пустила свои ответвления в городе и приобрела еще большую популярность. Говорили, что последователи Мечникова имеют свой штаб и даже два. Называли их адреса. Первый помещался по Гуляевской улице, в доме № 4, в квартире доктора Гамалеи, второй — на даче А. О. Ковалевского, семья которого жила там круглый год.

В 1886 году молодой талантливый врач Николай Федорович Гамалея вернулся из Франции, где он изучал методы прививки от бешенства. Врачи Гамалея, Бардах и бактериолог Мечников организовали первую в России и вторую в мире бактериологическую станцию. Первая станция существовала в Париже, созданная знаменитым ученым Луи Пастером. Основной работой одесской станции были прививки людям, укушенным бешеными животными, но проводилась и большая исследовательская работа. Бактериологическая станция обслуживала широкую периферию. Сюда обращались даже из-за границы — Румынии и Турции.

Н. Д. Зелинский интересовался работой бактериологической станции. Он и его ученик Безредка часто бывали на Гуляевской улице.

В 1888 году Н. Д. Зелинский вторично прощален с Мечниковым. Первые проводы были в студенческие дни, когда любимый профессор уходил из университета. Теперь он уезжал из России — надолго, может быть навсегда. Перед Мечниковым встал вопрос: приспособиться к тупому царскому режиму или свободно заниматься в чужих краях любимой наукой? Измученный организованной против него травлей, Мечников решил уехать в Париж, к Пастеру. К Мечникову в Париж после окончания университета уехал ученик Зелинского А. М. Безредка.

Впоследствии Безредка стал вице-директором Пастеровского института в Париже. Дружеская связь его с первым учителем не прекращалась, он переписывался с Зелинским.

После отъезда И. И. Мечникова заведующим бактериологической станцией стал Я. Ю. Бардах. Станция продолжала работать. Зелинский поддерживал связь с этими передовыми деятелями медицины и бактериологии. Летом 1891 года он провел совместно с ними большую работу.

Профессор А. О. Ковалевский предложил Зелинскому принять участие в экспедиции на Черном море.

— Вам, Николай Дмитриевич, — сказал он, — предстоит решить то, что не могли до сих пор выяснить ученые, — откуда в Черном море взялся сероводород: появился ли он в глубинах вследствие какой-либо химической реакции или пробился из земной коры сквозь трещины.

Николая Дмитриевича заинтересовало сказанное Александром Онуфриевичем. Выявить причины появления ядовитого газа, не переносимого живыми существами, было интересной задачей для химика, особенно для Зелинского, прожившего много лет у берегов Черного моря.

Ковалевский рассказал, как подготовлялась экспедиция. После долгих разговоров морское министерство согласилось помочь и выделило канонерку «Запорожец», но денег не дало ни копейки. Пришлось собирать с миру по нитке. Нашлись средства в Новороссийском обществе естествоиспытателей и географов. Удалось получить субсидию из средств города, ведь исследования представляли интерес и для Одессы.

Александр Онуфриевич сообщил Зелинскому, что в исследовании глубин Черного моря примут участие доктор Я. Ю. Бардах и бактериолог Брусиловский, работник бактериологической станции. Брусиловский, как и Николай Дмитриевич, будет работать в море на борту «Запорожца».

Еще до своего отъезда Николай Дмитриевич засел за предварительную работу и ознакомился с отчетами Андрусова и Лебединцева о прежних экспедициях. Выводы их показались Зелинскому неубедительными. Едва ли происхождение сероводорода в море можно было объяснить разложением белковых тел. Ведь фауна Черного моря бедна и не может вызвать такого необычного развития сероводорода.

Прежними экспедициями сероводород обнаружен начиная с глубины 200 метров, а процесс гниения и тления органических веществ происходит при свободном доступе кислорода воздуха и, следовательно, должен совершаться у поверхности моря.

Своими мыслями Николай Дмитриевич поделился с А. А. Вериго, также занимавшимся этим вопросом.

Вериго и Ковалевский поддержали Николая Дмитриевича, критически оценивавшего имеющиеся данные. От экспедиции ждали окончательного решения вопроса.

Я. Ю. Бардах оказал экспедиции широкую помощь. Он снабдил Зелинского и Брусиловского образцами питательных сред для экспериментов прямо на канонерке и, провожая, напутствовал их не только как ученый ученых, но как человек, страстно любящий море.

«Запорожец» отплыл.

Канонерка целое лето бороздила воды Черного моря. Участникам экспедиции во время плавания пришлось пережить сильный шторм.

Николай Дмитриевич уверял, что на больших глубинах содержание сероводорода должно увеличиваться, и это вскоре подтвердилось. Образцы морского грунта брали с пяти различных пунктов Черного моря, с глубин в 16, 40, 389, 870 и 1 207 морских сажен. Характер грунта менялся: с серо-зеленого на небольших глубинах он перешел к темно-бурому с сильным запахом сероводорода на больших.

Тут же, на канонерке, производились все анализы. Брали пробы для посевов на различных питательных средах. Уже эти исследования показали, что все образцы грунтов с больших глубин заключают в себе микроорганизмы, выделяющие сероводород. Впоследствии на берегу, на бактериологической станции и в химической лаборатории, исследования показали то же самое. Эти микроорганизмы, как выяснили дальнейшие эксперименты, продолжали свою деятельность и в условиях, лишенных кислорода воздуха. Открытый исследователями микроб был назван «бактериум гидросульфурум понтикум».

Так Н. Д. Зелинский разгадал «загадку» Черного моря, установив, что наличие большого количества сероводорода в глубинах Черного моря является результатом не проникновения его сквозь донные трещины, не какой-либо химической реакции, а продуктом жизнедеятельности найденных микроорганизмов.

Впоследствии в статье «О сероводородном брожении в Черном море и одесских лиманах» Николай Дмитриевич сделал далеко идущие выводы:

«…Как Черное море, так и одесские лиманы находятся в современную нам эпоху в стадии сероводородного брожения, которое в отдаленное от нас время было незначительно, теперь же достигло средней интенсивности, а в будущем, как можно думать, процессы сероводородного брожения в Черном море под влиянием более благоприятных условий значительно усилятся, что и отразится еще более, чем теперь, на уменьшении фауны и своеобразном характере небогатой флоры Черного моря».