Serge Winogradsky découvrit que Beggiatoa pouvait se développer sans substrat organique ; il suffisait de substrats minéraux pour assurer la croissance du filament : Serge Winogradsky créa la notion de micro-organisme « inorgoxydant » - nous disons aujourd’hui « autotrophe », mais de terme « inorgoxydant » quoique difficile à prononcer, est beaucoup plus évocateur que le terme actuel « autotrophe » qui est particulièrement impropre.

Cette découverte parut une hérésie parce que la bactériologie, de son temps, toujours sous la coupe des pères fondateurs Pasteur et Koch, ne connaissait que les organismes assimilant le carbone organique, les bactéries appelées actuellement « hétérotrophes ».

Cladothrix également appelée « Leptothrix » est connue de nos jours sous le nom de « Sphaerotilus », c’est une des bactéries filamenteuses qui colonisent les biomasses épuratrices. Elle prolifère également dans les sources ferrugineuses, où elle forme des concrétions d’oxyde ferrique lorsque l’eau entre en contact avec l’oxygène de l’air. Il a l’intuition, qu’il cherche à vérifier, toujours par la même méthode d’observation directe, que ces bactéries filamenteuses possèdent la même propriété que Beggiatoa : à savoir l’autotrophie. La démonstration s’avère difficile : Serge éprouve le besoin de perfectionner ses connaissances en chimie minérale pour mieux étudier les transformations, opérées par les conferves.

Janvier 1888 Anton de Bary meurt – Serge Winogradsky cette même année publie à Leipzig une monographie sur la morphologie des sulfobactéries qui fait date. Il y décrit et baptise les genres « Thiothrix », « Thiocystis », « Thiosarcina », « Chromatium », « Thiospirillum », tous micro-organismes d’une très grande importance entre autres dans les écosystèmes épurateurs des lagunes naturelles. C’est un travail gigantesque accompli dans des temps exceptionnellement courts.

Zürich en ce temps là, déjà réputée pour la supériorité de son enseignement, recevait souvent des scientifiques russes, c’est probablement pour cette raison qu’il choisit cette ville. Il partira pour Zürich 1888 étudier la chimie des sels minéraux dans le service d’agronomie de Ernst Schulze et en particulier les méthodes chimiques du dosage de l’azote. Stagiaire au laboratoire d’hygiène de Zürich en 1889, il se penche sur la question de la nitrification, et c’est là qu’il trouvera la réponse en 1890. Que savait-on en 1889 sur la nitrification ?
On savait beaucoup de choses empiriques et depuis longtemps mais les causes de la nitrification n’étaient pas connues. On savait fabriquer depuis le XVI° siècle du salpêtre à partir de l’urine et du fumier. Le rendement de la nitrification était même excellent. C’était l’art des nitrières artificielles qui étaient en somme des serres où le fumier enrichi en pierre calcaire et en urine, mûrissait sous l’influence de retournements fréquents. Le salpêtre (Na3Ca) se formait alors assez rapidement ; c’était en quelque sorte un réacteur à bactéries nitrifiantes.