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.