A complexidade das inúmeras combinações de xenobióticos nos ambientes aquáticos representa um grande desafio para a avaliação do risco ecológico. A espécie bioindicadora Chironomus sancticaroli foi utilizada como modelo de exposição para se compreender os efeitos individuais e das misturas combinadas do metal cádmio, do inseticida organofosforado malathion e do hidrocarboneto policíclico aromático fenantreno, poluentes que representam diferentes classes de xenobióticos amplamente encontrados em lugares impactados no mundo. As larvas de IV ínstar foram expostas por 48h a três concentrações nominais de cádmio (0,001, 3,2 e 7,4 mg L-1), malathion (0,0001, 0,0564 e 0,1006 mg L-1) e fenantreno (0,0025, 1,25 e 2,44 mg L-1), além dos controles água e solvente (etanol p.a.). As menores concentrações de cada poluente representam o máximo permitido pela legislação brasileira para rios de Classe 1 e 2 e as outras duas concentrações representam, as concentrações letais CL25 e CL50 previamente calculadas de cada composto para a espécie. Foram quantificadas as concentrações biodisponíveis dos poluentes em todos os experimentos para se confirmar as concentrações nominais. Foi utilizada a abordagem de unidades tóxicas para se prever a toxicidade das misturas. Os biomarcadores utilizados foram as atividades das enzimas acetilcolinesterase (AChE), esterase alfa (EST alfa), esterase beta (EST beta), glutationa S-transferase (GST), catalase (CAT), superóxido dismutase (SOD), os danos de peroxidação lipídica (LPO), o conteúdo total de hemoglobinas (Hb) e a expressão gênica de quatro hemoglobinas: HbB, HbC, HbD e HbE. Nas larvas de Chironomus sancticaroli, os biomarcadores bioquímicos foram mais sensíveis aos efeitos provocados pelo malathion, em seguida o cádmio e fenantreno. As misturas binárias e terciárias provocaram mais efeitos que as exposições individuais para todos os poluentes. Dentre as misturas, a exposição binária cádmio + malathion e a exposição terciária cádmio + malathion + fenantreno foram as mais tóxicas para a espécie. Com base nos resultados os três poluentes podem ser considerados neurotóxicos, capazes de gerar alterações metabólicas e estresse oxidativo, gerando os danos de peroxidação lipídica e as alterações no conteúdo e expressão gênica de hemoglobinas em Chironomus sancticaroli. As interações observadas entre os xenobióticos investigados poderão auxiliar no direcionamento de futuros estudos diretamente ligados à avaliação de risco ecológico e conservação da biota dos ecossistemas aquáticos.